/
Автор: Грязин Г.Н.
Теги: электротехника телевидение радиотехника телекоммуникации учебное пособие для вузов телевизионная техника
ISBN: 5-7325-0445-1
Год: 2000
Текст
УДК 621.397
ББК 32.94-5я7
Г92
Федеральная программа книгоиздания России
Рецензенты: кафедра телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А Бонч-Бруевича (зав. кафедрой проф. В. Е, Джа-кония); засл, деятель науки и техники РФ, д-р техн, наук проф. Р. Е. Быков
Грязин Г. Н.
Г92 Системы прикладного телевидения: Учеб, пособие для вузов. — СПб.: Политехника, — 277 с.: ил.
ISBN 5-7325-0445-1
В книге рассмотрены характеристики, принципы построения и теория работы телевизионных систем, предназначенных для наблюдения за объектами, расположенными в различных средах. Изложены основы видеозаписи, цветного и объемного телевидения. Приведены методы расчета режимов функционирования систем визуального наблюдения с учетом свойств зрения оператора и автоматических систем.
г 4503000000—204 045(01)—99
УДК 621.397
ББК 32.94-5я7
ISBN 5-7325-0445-1
© Издательство «Политехника», 2000
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы для решения традиционных задач оптико-электронного приборостроения стали широко применяться методы и средства, используемые в прикладном телевидении. Это касается как задач наблюдения и контроля за различными объектами, так и измерений всевозможных величин. Передающие камеры на пировидиконах и специальных твердотельных преобразователях внедряются в тепловидение. Автоматизированные телевизионно-вычислительные комплексы решают задачи измерения геометрических размеров, углов перемещений, координат и других параметров протяженных и малоразмерных (точечных) объектов с точностью не меньшей, а порой и превышающей точность традиционных оптико-электронных приборов.
Особенно эффективно системы прикладного телевидения используют для визуального и автоматического обнаружения и наблюдения за различного рода объектами, находящимися в атмосфере, открытом космосе и под водой на большой глубине.
В последние годы телевидение успешно применяется д ля экологического мониторинга, регистрации нарушений на транспорте, эндоскопии внутренних органов человека. В связи с развитием банковской сети, частных компаний и акционерных обществ резко поднялся спрос на телевизионные системы охранной сигнализации. На основе телевизионных датчиков строятся все системы технического зрения, необходимость в которых возрастает в связи с комплексной автоматизацией производства и внедрением робототехнических устройств.
Увеличение потребности в телевизионных средствах наблюдения связано с их свойствами, к которым относятся: удобство сочленения телевизионного датчика практически с любым компьютером; высокое быстродействие телевизионных систем, позволяющее обрабатывать сигналы от неподвижных, малоподвижных и быстродвижущихся объектов как в реальном, так и измененном времени; быстрое развитие элементной базы прикладного телевидения, которой занимаются десятки ведущих фирм мира. Однако при подготовке специалистов в области оптико-электронных систем уделяется недостаточное внимание изучению основ телевизионной техники, ее возможностей и расчету режима функционирования систем, от которого зависит эффективность их применения. Этому способствует и отсутствие учебной литературы, в достаточной степени освещающей вопросы, связанные с прикладным телевидением.
Предлагаемое пособие подготовлено на основе многолетнего опыта, приобретенного автором при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Телевизионные системы наблюдения» студентам Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета) по специальности «Оптико-электронные приборы и системы». Лекционный материл базируется на теоретической подготовке студентов, получаемой ими в рамках дисциплин «Электроника и вычислительная техника», «Источники и приемникиизлуче-
з
ний» и др. В пособии использованы материалы изданной ранее автором книги [19], а также материалы других учебников и учебных пособий, предназначенных для студентов радиотехнических специальностей [12, 27, 49, 54]. Предполагается, что отдельные разделы данного пособия подлежат дальнейшему развитию в последующих дисциплинах специализации, таких как «Телевизионно-вычислительные комплексы», «Видеотехника» и др.
Автор благодарит рецензентов книги — кафедру телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, возглавляемую проф. В. Е. Джа-кония, и заслуженного деятеля науки и техники РФ проф. Р. Е. Быкова — за полезные замечания, сделанные при рецензировании книги.
Автор выражает глубокую признательность Генеральному директору фирмы «SBDG Electronics» С. Л. Горелику и генеральному директору ТОО «ВЕНКОМ —О» А. Н. Великожону за оказанную финансовую помощь в издании книги.
Отзывы и замечания автор просит присылать по адресу: 191011, СПб., Инженерная ул., 6, изд-во «Политехника».
ВВЕДЕНИЕ
Современное телевидение — это научно-техническое направление в информатике, объединяющее вопросы электрооптического анализа и синтеза как движущихся, так и неподвижных изображений, и передачи их на расстояние по электрическим и волоконно-оптическим линиям связи. В основе телевизионного метода передачи и воспроизведения оптической информации лежит принцип последовательной и поэлементной развертки изображения. Суть его заключается в том, что любое подлежащее передаче и затем воспроизведению двухмерное (плоское) изображение представляется как совокупность дискретных элементов, яркость которых последовательно преобразуется в одномерный электрический сигнал, являющийся функцией времени. Таким образом, развертка изображения позволяет передавать информацию о яркости большого числа элементов изображения последовательно по одному каналу связи (рис. 1).
им и'м
Объектив
Рис. 1. Структурная схема телевизионной системы визуального типа (L'(x, у) и Цх, у) — входное и выходное изображения; Пси U 'с — видеосигнал на входе и выходе канала связи)
Впервые идея последовательной развертки изображения была предложена в проектах аппаратов, авторами которых являлись португальский ученый А. де Пайва (1878 г.) и русский ученый П. И. Бахметьев (1880 г.). В 1884 г. немецкий изобретатель Пауль Нипков предложил для развертки изображения использовать вращающийся диск с отверстиями, расположенными по спирали Архимеда. Число отверстий B/диске определяло число строк, на которое разлагалось изображение как на передающей, так и на приемной стороне (два диска вращались синхронно и синфазно).
Работы профессора Московского университета А. Г. Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта (1880-1890 гг.) и изобретение преподавателем Петербургского технологического института Б. Л. Розингом электронно-лучевой трубки для воспроизведения изображений (1907 г.) наряду с предложенным ранее принципом развертки изображения заложили основу современного электронного телевидения. Заслуга Б. Л. Розинга заключается в том, что он впервые применил в трубке новый процесс — модуляцию электронного луча по плотности с одновременным отклонением его по двум перпендикулярным осям. Дальнейшее развитие телевидения шло в основном по линии создания и совершенствования элементной базы
5
электроники и средств связи на основе применения известных и вновь открываемых физических явлений [56].
В настоящее время телевизионная техника развивается по двум основным направлениям. Одно из них составляет вещательное телевидение, второе получило название прикладного телевидения, под которым понимается использование телевизионных методов и средств в народном хозяйстве, научных исследованиях, космической связи, военном деле и т. д. Следует отметить, что на протяжении всей истории оба направления развивались в тесном взаимодействии между собой. Однако в силу специфики решаемых задач требования к системам вещательного и прикладного телевидения могут существенно различаться. Основное требование к вещательным системам заключается в воспроизведении на телевизионном экране изображений, обеспечивающих необходимые условия для художественного восприятия зрителем передаваемой сцены (сюжета). И здесь на первый план выступает проблема качества воспроизводимого изображения. Требования, предъявляемые к системам прикладного телевидения, вытекают из их конкретного назначения, которое может быть как достаточно универсальным, так и узко специализированным.
Передача информации в системах прикладного телевидения в подавляющем большинстве случаев осуществляется по кабельным линиям связи. Такие системы получили название замкнутых. Электрический сигнал в них может передаваться от передающей к приемной стороне как в видеочас-тотной области спектра, так и на одной из радиочастот путем предварительной ее модуляции. В отдельных случаях (например, при передаче изображений с летательных аппаратов) в качестве линии связи используется радиоканал. Такие системы называют открытыми.
Системы прикладного телевидения по назначению и принципу построения делятся на две основные группы. К первой группе относятся наблюдательные системы, называемые также обзорно-поисковыми или информационными системами. Они предназначены для наблюдения за общей обстановкой внутри заданного пространства, ограниченного полем зрения объектива, а также визуального или автоматического поиска, обнаружения и опознавания интересующих оператора объектов. Ко второй группе относятся телевизионные измерительные системы, служащие для контроля и измерения отдельных параметров объекта.
Большинство наблюдательных систем предназначены для визуального обзора пространства. К ним относятся промышленные, диспетчерские, подводные, подземные и другие аналогичные установки, многие из кото-ры выпускаются серийно. С помощью наблюдательных систем осуществляется телевизионная разведка с летательных аппаратов, решаются задачи воздушной навигации и управления воздушным движением, наведения самодвижущихся носителей на объект. Телевизионные системы используются в астрономии (что позволяет существенно увеличить дальность наблюдения), а также в биологии и медицине (телевизионная микроскопия и эндоскопия, трансляция хода операций и т. д.).
Как правило, перед наблюдательной системой ставится также задача поиска и обнаружения объекта в пространстве. При этом обнаружение может происходить как непосредственно оператором, так и автоматичес
6
ки по заданному признаку объекта. Наиболее совершенные системы этого типа способны решать задачи автоматического распознавания объекта и его отнесения к определенному классу.
На рис. 2 показана общая структурная схема телевизионной системы наблюдения, входным звеном которой служит датчик видеосигнала — телевизионный датчик (ТД). Он представляет собой совокупность оптических, электронных и при необходимости механических устройств, обеспечивающих получение и преобразование входного оптического изображения наблюдаемого пространства или объекта в электрический сигнал (видеосигнал), пригодный для дальнейшей обработки. В телевизионный дат-чиквходяг оптическая система, фотопреобразователь, устройство развертки изображения, предварительный усилитель, цепи синхронизации. Необходимо отметить, что в процессе формирования и преобразования входного оптического изображения в телевизионном датчике 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 — секции коммутации передающей трубки и входного звена усилителя.
Рис. 2. Структурная схема телевизионной системы наблюдения
Принцип построения телевизионного датчика зависит от назначения и требований, предъявляемых к системе наблюдения. Известно, что в общем случае поле лучистой энергии, несущее информацию об объекте, может быть функцией пяти переменных L (х, у, z, t, X). Если необходимо передать изображение объекта в трех координатах х, у и z, то телевизионный датчик должен быть построен по стереоскопическому принципу, т. е. состоять из двух передающих камер, наход ящихся друг от друга на определенном расстоянии, называемом базой. При передаче изображений быстро движущихся объектов, т. е. в случае, когда яркость в каждой точке зависит от времени f и становится заметным скоростное смазывание изображения, следует сокращать время кадра или переходить к импульсному режиму экспонирования фотопреобразователя. Передача спектрального состава излучения объекта и окружающего его пространства осуществляется с помощью цветных телевизионных систем. Учет спектров из-
7
лучения объекта Хои фона в целях улучшения условий обнаружения
объекта производится в спектрозональных системах.
Очевидно, что реализовать телевизионный датчик, выходной сигнал которого являлся бы дискретной функцией всех пяти переменных, практически сложно (воспроизвести соответствующую непрерывную функцию поля лучистой энергии невозможно даже теоретически, так как это потребовало бы передачи по линии связи бесконечно большого объема информации). Однако в рамках прикладного телевидения необходимости в таком датчике обычно никогда не возникает.
В телевизионном датчике реализуется основной принцип телевидения — развертка изображения, которая может осуществляться как в многоэлементных фотопреобразователях, к которым относятся передающие трубки и приборы с зарядовой связью, так и в пространстве объектов, например, путем качания лазерного луча. Видеосигнал, поступающий с датчика, подлежит усилению и обработке, включая при необходимости запись на магнитный или иной носитель (см. рис. 2). В визуальных системах 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 в исходном изображении те признаки, которые необходимы для решения задачи обнаружения или опознавания объекта. В этом случае окончательное решение может приниматься как непосредственно оператором с помощью видеоконтрольного устройства (ВКУ), так и с помощью специального классификатора, в памяти которого хранятся отличительные признаки исследуемого объекта. Обработка сигнала может производиться и в аналоговой и в цифровой формах. Согласование во времени всех операций по развертке изображения, обработке сигнала, его записи осуществляется синхрогенератором.
В визуальных системах прикладного телевидения, имеющих универсальное значение, также как и в вещательных системах, важной характеристикой является качество изображения. Существует ряд критериев определения качества воспроизводимого изображения, будь то изображение, полученное оптическим, фотографическим, телевизионным или иным другим путем. Сложность создания единого критерия качества заключается в том, что последний носит в значительной степени субъективный характер, т. е. зависит от особенностей восприятия и зрительных свойств наблюдателя. Очевидно, что идеальным критерием был бы критерий полного подобия (точности) передаваемого и воспроизводимого изображений, оцениваемых конкретным наблюдателем. Однако подобная физиологическая точность при передаче натурных объектов практически не достижима из-за ограниченного динамического диапазона воспроизводимых системой яркостей, ограниченного поля зрения и т. д. Поэтому все известные критерии качества изображения носят в значительной степени частный характер, что, однако, не мешает их использованию в практических целях. Рассмотрим интегральный критерий качества, предложенный М. В. Антипиным [2], и информационный критерий.
8
Интегральный критерий качества численно выражается некоторым функционалом Q < 1, представляющим собой произведение п сенсорных характеристик зрительного анализатора qt <1:
e=fh-
»=1
Каждая сенсорная характеристика соответствует i-му показателю качества изображения (зашумленности, резкости, контрасту и др.) и представляет собой зависимость данного показателя, оцениваемого рядом наблюдателей по принятой в психофизике субъективной шкале отношений, от некоторой объективно измеряемой величины. Для показателя зашумленности такой величиной является отношение сигнал/шум на выходе видеотракта, для показателя резкости — площадь под частотно-контрастной характеристикой системы, для показателя контраста — сам контраст и т. д. В гл. 10 приведен пример использования интегрального критерия качества для оценки оптимального времени экспонирования фотопреобразователя в импульсной системе.
Недостатком рассмотренного критерия является одинаковое весовое соотношение всех сенсорных характеристик, в то время, как весовые соотношения между характеристиками должны быть связаны с передаваемым сюжетом.
Информационный критерий качества изображения базируется на известном соотношении
I = TV«log2(l+wr),
где I — информационная пропускная способность системы, бит/с; N— число воспроизведенных элементов изображения; п—число передаваемых изображений в секунду; пгг — число воспроизводимых градаций яркости.
Использование этой формулы предполагает, что одинаковому количеству информации соответствует одинаковое качество изображения. Такое предположение, однако, можно считать обоснованным, если входные изображения являются избыточными по сравнению с информационной емкостью системы и ценность передаваемой информации по всем показателям качества примерно одинакова.
Информационный критерий целесообразно применять только в отдельных случаях, когда, например, полностью отсутствуют априорные сведения об объекте наблюдения.
Структурная схема телевизионых измерительных систем приведена на рис. 3. Основное требование, предъявляемое к телевизионному датчику такой системы, в отличие от наблюдательной, заключается в обеспечении необходимой точности преобразования требуемого параметра изображения объекта в видеосигнал. Составные части телевизионного датчика измерительной системы те же, что и датчика системы наблюдения. С выхода телевизионного датчика сигнал поступает на видеоконтрольное устройство, выполняющее функцию видоискателя, и в устройство усиления и обработки. Назначение этого устройства заключается в том, чтобы придать видеосигналу вид, пригодный для использования в вычислительном устройстве.
9
Характер обработки видеосигнала зависит от назначения системы и требований, предъявляемых к ней. В состав устройства обработки входят корректоры видеосигнала, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь стандартов, позволяющий согласовать параметры видеосигнала с быстродействием ЭВМ, и ряд других.
Рис. 3. Структурная схема измерительной телевизионной системы
Преобразованный сигнал с выхода устройства обработки поступает в вычислительное устройство, предназначенное для непосредственного решения измерительных задач в соответствии с заданной программой работы системы. Сигнал, снимаемый с выхода вычислительного устройства, фиксируется специальным регистрирующим органом, а в системах следящего типа управляет исполнительным механизмом.
Применение современных телевизионных измерительных систем позволяет решать большое число разнообразных задач. К ним в первую очередь относятся измерение и контроль различных размеров объекта (линейных размеров, площади, периметра). Телевизионные системы используются для измерения координат точечных объектов и, при необходимости, слежения за ними.
В биологии и медицине применяются системы для счета частиц произвольной формы (например, автоматы для исследования состава крови). Системы для измерения параметров движения рсгистируют среднюю и мгновенную скорости движения, угол наклона траектории и т. д. Специальную группу телевизионных измерительных систем составляют следящие системы, имеющие обратную связь от исполнительного устройства к телевизионному датчику.
К тенденциям развития прикладного телевидения следует отнести широкое внедрение твердотельных многоэлементных фотопреобразователей — приборов с зарядовой связью и цифровой вычислительной техники. Последняя позволяет не только применять сложные и разнообразные алгоритмы обработки изображения с целью получения спецэффектов, но и проводить
ю
необходимые операции по обнаружению, опознаванию, классификации и измерению параметров объектов в реальном времени. Поскольку энергетическая чувствительность приборов с зарядовой связью недостаточна для решения многих практических задач, перспективным является применение матриц, сочлененных с электронно-оптическими преобразователями.
Важным направлением в развитии прикладной телевизионной техники остается создание адаптивных (самонастраивающихся) систем, способ ных изменять свои параметры в зависимости от изменяющихся условий наблюдения. При этом достигается оптимальное согласование характеристик системы и объекта, что способствует более успешному решению поставленной задачи.
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
1.1. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
В большинстве телевизионных систем предусматривается зрительное получение информации. Это касается не только чисто визуальных систем, но и телевизионных автоматов, в которых визуальный канал имеет вспомогательное значение, выполняя роль видоискателя.
Зрительное восприятие изображения объектов на различных устройствах отображения информации (кинескопах, индикаторных панелях и др.) можно разделить натри стадии: обнаружение, различение и опознавание [25]. Обнаружение — стадия зрительного восприятия, на которой 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 — стадия зрительного восприятия, на которой наблюдатель способен раздельно воспринимать два объекта, а также выделять отдельные детали объектов. Опознавание — такая стадия зрительного восприятия, на которой наблюдатель выделяет существенные признаки объекта и относит его к определенному классу. Опознавание требует воспроизведение системой большинства мелких деталей. На практике при решении различных задач проектирования обычно ограничиваются двумя понятиями: обнаружения и опознавания.
Зрительное восприятие изображения зависит от ряда независимых показателей, угловых размеров изображения объекта или его деталей, уровня адаптирующей яркости, контраста между изображениями объекта и фона, времени восприятия изображения и его зашумленности. С другой стороны, на процессы обнаружения и опознавания объекта наблюдения непосредственно влияют характеристики зрительного анализатора оператора и, в первую очередь, — контрастная чувствительность зрения.
Рассмотрим кратко каждый из информационных показателей изображения.
УГЛОВЫЕ РАЗМЕРЫ
Угловой размер изображения объекта определяется как угол между лучами, направленными от глаз оператора к крайним точкам изображения (рис. 1.1). Угловой размер определяют по формуле
а = 2arctg(5/22f),
где S — линейный размер изображения объекта; Н — расстояние от глаз оператора до плоскости наблюдения.
Расстояние И рекомендуется выбирать в пределах Н = (4 + 5)й, где h — высота растра на экране кинескопа. Для малых углов а = SfH. При расчетах
12
Рис. 1.1. К расчету углового размера изображения детали объекта
удобно пользоваться также соотношением а = $aS/b, где 0Э — угол, под которым наблюдается растр на экране кинескопа; b— размер растра в направлении измерения величины детали £
Очевидно, что для каждой стадии зрительного восприятия пороговые угловые размеры изображения будут разными. Абсолютный порог обнаружения 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 l/otnop, определяющую способность раздельного видения двух отдельных предметов. Острота зрения зависит от контраста изображения, расстояния между соседними светочувствительными элементами сетчатки глаза, от формы наблюдаемого предмета и места расположения его изображения на сетчатке. Острота зрения выше для протяженных предметов и максимальна в центральной части сетчатки (примерно в угле зрения, равном 7’).
Пороговое значение углового размера апор зависит от яркости фона Эта зависимость при опознавании кольца Ландольта приведена ниже [55]:
0,1
5,0
1,0
1,8
10,0 100,0 1000,0
1,0 0,7 0,5
На этапе опознавания объекта важное значение имеет не только расстояние между его существенными деталями, но также их размеры и форма границ. Так, абсолютный порог отличия кривой линии от прямой составляет примерно 70" высоты дуги. Оперативный порог, которому соответствует максимальная скорость опознавания, оказывается в несколько раз выше. Оперативный порог при опознавании различных знаков составляет в среднем 30-40' по высоте и зависит от их освещенности.
ЯРКОСТЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Диапазон яркостей, который может восприниматься глазом, весьма широк и составляет 10~7 — 10~5 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 интервал яркостей, различаемых одновременно, составляет примерно 10: 1, а при высоких уровнях (дневной свет) — 1000 : 1. Переход от одного уровня адаптации к другому требует определенного времени. От
13
уровня адаптации зависит острота зрения, причем оптимальным уровнем адаптации с этой точки зрения считают 500 — 700 кд/м2, что намного превышает яркость экранов современньк кинескопов.
Для оптимальных условий работы глаза важным является соотношение яркостей объектов, находящихся в поле фения:
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 окружением;
40 : 1 — между самым светлым и самым темным местом, попадающим в поле зрения.
Существует понятие слепящей яркости, под которым понимается яркость, нарушающая приспособленность глаза к правильному восприятию яркостных участков изображения. Яркость слепящего источника Lc зависит от яркости адаптации Za:
4, кд/м2 ............ 0,32 32,0 3200
Lr, кд/и? ...........2 • 10s 104 4,6 • W4
КОНТРАСТ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРАСТНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЗРЕНИЯ
Любое изображение характеризуется яркостным контрастом, определяемым далее как отношение абсолютного значения разности яркостей изображений объекта и окружающего его фона к их максимальному значению. Существуют и другие определения яркостного контраста, например, в виде отношения абсолютной разности двух яркостей к их сумме.
В зависимости от соотношений яркостей объекта и фона удобно различать два вида контраста — прямой и обратный [25]. При прямом контрасте яркость изображения фона £ф больше яркости изображения объекта Д, и тогда
^ = (Лф-£о)/Лф, а при обратном контрасте
^ = (4-Дф)/£о.
Контраст может выражаться как в относительных единицах (0 <. К<, 1), так и в процентах. Обычно контраст до 20 % рассматривается как малый, до 50 % — средний и свыше 50 % — высокий. Оптимальным при длительном наблюдении считается контраст изображения 85—90 % и выше. Фактически при наблюдении изображений на экранах воспроизводящих. устройств приходится иметь дело с контрастами, намного меньшими оптимального. При этом обнаружительная и различительная способность зрения зависит не только от углового размера изображения объекта и его яркости, но и от контраста. Из графиков, приведенных на рис. 1.2 [25], следует, что при угловых размерах объекта меньше Г различимость может бьт> обеспечена только при контрастах, близких к 90 — 100 %. Опознавание объекта возможно при угловых размерах, больших указанных на рис. 1.2.
14
Следует отметить, что изображение с прямым контрастом лучше воспринимается глазом, чем изображение с обратным контрастом. При прямом контрасте увеличение яркости изображения (например, путем повышения яркости свечения экрана кинескопа) приводит кувеличению яркости фона и, как следствие, к увеличению яркости адаптации, приближая ее к оптимальной с позиции остроты зрения.
При наличии внешней засветки экрана контраст изображения снижается согласно приведенным ниже формулам: для прямого контраста
К'= К/(1 +L3 /L*)-
для обратного контраста ?ис*3аюгсимоС1Ь порогов™ уг-
г ловых размеров различаемых объек-
К’ = К/(1 + Д /£о). тов а^р от яркости фона £ф при раз-
„ „ личных контрастах К
Здесь L3 - яркость экрана от внешней засветки, создающей освещенность Е3, 4=р^3/тг, где р - коэффициент отражения экрана.
Говоря о контрасте изображения, отметим, что эта величина является объективной, т. е. может быть измерена одним из инструментальных способов. Вместе с тем различительная способность глаза определяется субъективным его восприятием, иначе, ощущением относительного при
ращения яркости — яркостного контраста.
Впервые закон зрительного ощущения яркостей был экспериментально установлен Вебером и Фехнером. Он определяется соотношением
АЛ=0—, (1.1)
X/
где А А — приращение зрительного ощущения в случае, когда одна из наблюдаемых соприкасающихся достаточно больших поверхностей (например, полукругов, см. рис. 1.3, а) имеет яркость L, а другая — яркость L + AZ; 0 — коэффициент пропорциональности.
Очевидно, что для предельной (пороговой) различимости обеих поверхностей равенство (1.1) приобретает вид
Мм> =
(1.2)
Принимая во внимание малое значение порогового контраста, выражение (1.2) можно представить в дифференциальном виде
Л,
Л4 = 9~.
L
Если 0 = const, то
15
Рис. 1.3. Зависимость порогового контраста от яркости фона
Л = 01п£+Ср (1.3)
где — постоянная интегрирования.
Функция А = /(In I) называется кривой зрительного ощущения яркостей, которая в случае 0 = = const имеет вид прямой наклонной линии. Крутизна этой кривой равна 0 и при условии 44^ = 1, какэтоследует из уравнения (1.2), 0=2/дАтор-
Вебер и Фехнер показали, что отношение tsL^L, называемое пороговым контрастом К^, в широком диапазоне яркостей действительно является постоянной величиной, примерно равной 1,7 % (рис. 1.3). Величину L/hL^, обратную пороговому контрасту, называют контрастной чувстви-
тельностью глаза. Таким образом, закон Вебера—Фехнера может быть представлен в виде уравнения (1.3), из которого следует, что зрительное ощущение яркости пропорционально логарифму самой яркости.
В заключение отметим, что, поскольку пороговая величина зрительного
ощущения А^дор по своей сути является субъективной, т. е. не поддающейся прямому измерению, рационально в пределах постоянства порогового контраста принять = 1 и считать ее градацией зрительного воспри-
ятия яркости. Заметим, что AZ^ является объективной градацией яркости.
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ
9
Временные характеристики зрительного восприятия изображений связаны с инерционными свойствами зрения и имеют большое значение при наблюдении за движущимися объектами или за объектами, предъявляемыми наблюдателю кратковременно. При таком характере наблюдения яркость изображения, воспринимаемая глазом, или эффективная яркость (термин введен А. В. Луизовым), оказывается зависящей от длительности раздражения сетчатки глаза. В результате при коротких раздражениях эффективная яркость Д, оказывается существенно меньше действительной яркости L.
Предположим, что глаз наблюдателя фиксирован на определенной точке, располагающейся в пределах экрана, в которой на время т однократно появляется интересующий наблюдателя объект. Если принять, что объект появляется перед наблюдателем в нулевой момент времени, то в интервале времени от -оо до 0, наблюдатель воспринимает только яркость фона, причем Ц = £ф. Эффективная яркость объекта в рассматриваемой точке пространства
16
4.о=^-М(т у О
/4(т-1И,
L 0
3 а прямой эффективный контраст —
^ф у о
где 3 — время инерции зрения; A^t) — функция затухания зрительного восприятия.
Экспериментально доказано [36], что время инерции в широком интервале яркостей (примерно от 10 до 103 кд/м2) равно 0,05 с, а функция затухания достаточно точно аппроксимируется зависимостью
А(0 = е’^.
При этом эффективные значения яркости и контраста определяются по формулам:
= А/1 “ + = *0 -е’Т/в)-
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 f превышающей некоторое критическое значение fKp, мелькающее изображение воспринимается как слитное. Это обстоятельство лежит в основе выбора частоты смены кадров в кино и телевидении. Для вычисления значения^, часто используют эмпирическую формулу
где а,Ь- коэффициенты, зависящие от условий наблюдения.
С инерционными свойствами зрения связан и так называемый стробоскопический эффект, широко используемый для получения неподвижного изображения периодически перемещающегося объекта. Прерывистое освещение объекта, необходимое для получения стробоскопического эффекта, осуществляется обычно с помощью импульсных источников света, например импульсных ламп, длительность вспышки которых /в « 3.
При выполнении условия f 2 эффективная яркость определяется законом Тальбота
L3
Л, О
а прямой эффективный контраст - выражением
^э=(4.ф-4.о)/(/’А.ф)-
Здесь р = То /Тъ, где То — период появления объекта перед наблюдателем; Те — период вспышки лампы. Обычно р = 1.
Тогда, если принять L (fy = const, будем иметь
при т < tR
23ак 352 17
4о=^('»-*т); а;
Тв Тв Р гв
при Т > tB
4.ф=А^; А.о=^(1-*); ^=--
Л, *в Р
Из приведенных соотношений следует, что при стробоскопическом наблюдении происходит уменьшение эффективных яркостей изображения объекта и фона по сравнению с действительными яркостями, причем это уменьшение находится в прямой зависимости от длительности вспышки tB. Эффективный контраст для малоразмерных объектов при т < тв (время нахождения объекта в заданной точке пространства т зависит от размеров и линейной скорости перемещения объекта) меньше действительного контраста, а при т > tB и р = 1 снижения контраста не происходит.
ЗАШУМЛЕННОСТЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Установлено, что влияние шумов на изображение, наблюдаемое на экране кинескопа, проявляется двояко [32]. Во-первых, происходит увеличение средней яркости свечения экрана за счет шумовой подсветки, явля
ющейся следствием детектирующих свойств модуляционной характеристики трубки. При этом снижается контраст изображения и нарушается распределение градаций яркости по динамическому диапазону. Во-вторых,
переменная составляющая шума создает флуктуации яркости на экране,
что ухудшает различимость отдельных мелких деталей изображения.
Шумовая подсветка экрана влияет в основном на изображение крупных деталей размером не менее нескольких де-
Рис. 1.4. Модуляционная характеристика кинескопа при шумовой подсветке экрана
сятков элементов разложения. На рис. 1.4 приведена модуляционная характеристика кинескопа, подчиняющаяся уравнению L = $UC, где р — коэффициент пропорциональности; Uc~приложенное к модулятору кинескопа напряжение видеосигнала. Из трафика видно, что даже при отсутствии видеосигнала вследствие детектирования положительных выбросов шума будет иметь место свечение экрана, на фоне которого возникают шумовые точки. Таким образом, модуляционная характеристика изменится (на рисунке показано штриховой линией). Очевидно, что аналогичный результат будет наблюдаться и в случае, когда модуляционная характеристика отвечает степенной функции L = р U% , где у — показатель степени.
Если кинескоп не ограничивает контраста, а шум на модуляторе отвечает нормальному закону распределения, то средняя яркость свечения экрана подчиняется уравнению
18
L = "7= f(4' + x)Ye ^^dx.
V2it -i|>
(1.4)
Здесь ц/ = <7с/ст; x= <7ш/ст, где Uc и Um — мгновенные значения напряжения сигнала и шума на модуляторе кинескопа, взятые от точки запирания; ст — среднеквадратическое значение шума на модуляторе. Уравнение (1.4) представляет собой модуляционную характеристику кинескопа при наличии шума. Для целых значений у уравнение (1.4) интегрируется и результат получается в элементарных функциях. Так, при у = 2
, ше-4' l + u/2r ,1
L = рстЧ-^~=— + ~-^-[1 + <W)]k
где Ф(\{/) — интеграл вероятности.
Для дробных значений у решение задачи производится методом чис
ленного интегрирования.
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 разло-
жения, существенное значение помимо шумовой подсветки приобретает переменная (флуктуирующая) составляющая яркости. Наличие этой составляющей привод ит ктому, что контраст детали также становится флуктуирующим. Возможность обнаружения детали объекта на фоне шумов при этом резко падает из-за увеличения порогового контраста, равного > А'пор. На рис. 1.5 показана зависимость порогового контраста от отношения сигнал/шум на модуляторе кинескопа для наблюдаемой детали размером 3 х х 3 элемента разложения, у=2, равномерного спектра шума от 0 до 5 МГц и порогового контраста при отсутствии шума Хпор = 0,08 .
Кривая 1 построена с учетом влияния
Рис. 1.5. Зависимость порогового контраста ст отношения сит-мал/шум на модуляторе кинескопа
на пороговый контраст как шумовой подсветки, так и флуктуаций яркости, а кривая 2 — с учетом только шумовой прдсветки. Из графика видно, что при \|/> 10 можно положить ^пор' -^пор» а при \v<2 мелкие
детали становятся малоразличимыми.
Следует отметить, что на маскирующее действие шума оказывает влияние спектральная плотность мощности шума. Если основная энергия шума сосредоточена в области верхних частот, то значение уменьшается.
1.2. РАСЧЕТ КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗРЕНИЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Возможность обнаружения, различения или опознавания изображения объекта оператором определяется контрастной чувствительностью зрения (КЧЗ) в заданных условиях наблюдения. Из предыдущего следует, что КЧЗ
19
есть безразмерная величина, обратная пороговому контрасту изображения объекта, при котором он обнаруживается оператором с вероятностью Р^.
е^/^ор^/^пор.
где L-L^ для прямого контраста и L = Lo для обратного контраста изображения объекта и фона соответственно.
Вместе с тем, основываясь на законе Вебера—Фехнера, пороговый контраст целесообразно выразить в логарифмической шкале яркостей [23]. Для прямого контраста его пороговое значение определяется в этом случае соотношением
8 = AlgZ = lgb- = lgr = lg—. (L5)
Лф '“‘ПОрЛф * -^пор
Аналогичный результат получается и в случае обратного контраста. Допуская независимость влияния на пороговый контраст рассмотренных ранее показателей изображения, можно записать
п
5 = 50ПЛ. (1.6)
1=1
где f( - нормированные функции, учитывающие изменения порогового контраста при отклонении наблюдения от нормальных условий; п — число учитываемых факторов; 50 — пороговый контраст при нормальных условиях наблюдения.
Под нормальными условиями наблюдения понимается отсутствие шума в изображении, его большие угловые размеры, вероятность обнаружения объекта = 0,5, равенство яркостей адаптации и фона (La- Рф) и длительное время наблюдения, существенно превосходящее время инерции зрения. Таким образом, величина 50 зависит только от яркости адаптации и при условии выполнения закона Вебера—Фехнера, для которого пороговый контраст в широком диапазоне яркостей равен = 0,017, имеем 50» 0,01.
Рассмотрим функции^ Функция f^P), учитывающая вероятность обнаружения изображения объекта на экране кинескопа и показанная на рис. 1.6, отвечает выражению
Рис. 1.6. График функции f^P)
/1(Р)=1 + к,/2, (1.7)
где Ку>— процентное отклонение нормальной случайной величины, причем А(кр) = = Р(Р— интегральная функция нормального распределения).
Вероятность Р^ связана с временем обнаружения объекта [55]:
Роб = 1-ехр
(1.8)
где для бинокулярного зрения коэффи-
20
циент А3 = 6,3 -10‘2 (угл. мин.)3 х х (кд/м2)0,3 с - град"2; 0Э—угол поля обзора, т. е. угол, под которым виден экран кинескопа.
Функция f2(a) учитывает влияние углового размера изображения объекта:
/2(а) = 1+24/а1’2, (1.9)
где а — в угловых минутах.
Из трафика, отвечающего формуле (1.9), следует, что при а > (1ч-2)° f2(a) « 1 (рис. 1.7). Отметим, что значение а зависит от размеров эк
Рис. 1.7. График функции/,(<х)
рана кинескопа и от расстояния наблюдения (см. рис. 1.1).
Функция f3{i) учитывает влияние времени предъявления изображения объекта наблюдателю т; f3(i) = К/К^, где — эффективный контраст.
При однократном или редко повторяющемся появлении объекта в точке наблюдения (например, вследствие его быстрого перемещения) зрительное восприятие фона на экране кинескопа при частоте кадров, не меньшей критической частоты мельканий, будет непрерывно суммироваться длительное время, а объекта — только в течение времени т. Тогда искомая функция
/3(т)=[1/(1-е-^)],
где S — время инерции зрения.
Время т можно определить по известной скорости перемещения изображения объекта на экране кинескопа v и линейной величине изображения s: t=s/v. Для малоразмерных движущихся объектов или их деталей, подлежащих опознаванию, функция
/3(т) может оказаться существенно больше на контрастной чувствительности зрения
единицы, что отразится оператора.
При наблюдении за малоподвижными объектами можно положить = К и тогда /з(т) = 1.
Соотношение между яркостью адаптации и средней яркостью изображения на экране кинескопа можно учесть с помощью функции Д(9а), которая с учетом усреднения по многим экспериментальным данным имеет вид
21
./Ж) = 0,5(е-а-+е-2в»), (МО)
где,9а = lg (LI La), причем при сравнительно,небольших размерах изображения объекта можно принять за яркость L яркость однородного фона. В случае L-La имеем j£(Sa) = 1, что соответствует наилучшему условию наблюдения. Отметим, что если при расчетах функция Д(Яа) оказывается немного меньше единицы, то следует принимать Д(Яа) = 1 (рис. 1.8).
Функция ^(ст) учитывает влияние зашумленности изображения на пороговый контраст:
/5(а) =
И | ^из-^в
(1.11)
где сс - эффективное значение собственных шумов зрительной системы, пересчитанных на ее вход; оиз — эффективное значение шума в наблюдаемом изображении, определяемое флуктуациями логарифма яркости; К^~ коэффициент, учитывающий спектральный состав внешнего шума, при-
чем при нормальном законе распределения шумов и равномерном энергетическом спектре = 1.
Формула (1.11) написана в предположении, что собственные шумы зрительной системы суммируются с внешними шумами по закону средних квадратов. График, отвечающий формуле (1.11), приведен на рис. 1.9.
Таким образом, используя приведенные соотноше-
Рис. 1.9. График функции ^(е)
ния, можно оценить контрастную чувствительность зрения с учетом различных факторов и сделать вывод о возможности обнаружения объекта на экране кинескопа телевизионной системы.
13. ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНАЯ, ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНАЯ И ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИС ЕМЫ
Любое преобразование информации, а также передача ее по каналу связи всегда сопровождаются определенными потерями. В телевизионной системе существуют три ввда потерь информации: пространственные, градационные и временные. Пространственные потери информации связаны с уменьшением амплитуды отдельных гармонических составляющих, из которых складывается исходное изображение. Градационные потери определяются уменьшением числа уровней энергии, передаваемых системой, а временные потери — максимально допустимой частотой съема информации, равной, как правило, частоте смены кадров.
22
Способность линейной системы к передаче амплитуд всей совокупности пространственных частот определяется пространственно-частотной характеристикой системы (ПЧХ), которая в одномерном варианте для продольного направления х определяется из комплексной частотной характеристики
00
S(jw)= Ja(x)e~>“rfx) (1.12)
— оо
где а(х) - функция рассеяния точки (импульсная характеристика системы) ; со - круговая пространственная частота.
ПЧХ представляет собой модуль комплексной частотной характеристики
S(/co) = S(co)e-/₽(“),
где ср(со) - аргумент этой характеристики.
Зависимость ср(со) является фазочастотной характеристикой системы (ФЧХ), которая при отсутствии фазовых искажений представляет собой прямую наклонную линию. В линейной системе существует жесткая связь между комплексной частотной и переходной Л(х) характеристиками системы:
00 1 “° 1
3(/ю) = h(x)e~j<0Xdx; h(x) = — f—S(/co)e^i>x</co.
J 2л J /co
0 —00
Эта связь устанавливается также соотношением (1.12), поскольку справедливо равенство а(х) = dh($/dx. Таким образом, пространственные потери информации зависят от формы переходной характеристики.
В оптике пространственные частоты N измеряются числом периодов гармонической составляющей изображения, приходящихся на один миллиметр: ^= 1/Х, со = 2^= 2л/Х, где X - период гармонической составляющей, выраженный в миллиметрах. В телевидении пространственную частоту выражают числом полупериодов т гармонической составляющей изображения, укладывающихся не на единицу длины, а на высоту растра h, т. е. т = 2hfk, и, следовательно, со = itm/h. Величины h и X можно измерять как в миллиметрах, так и числом строк разложения, причем в последнем случае со = Ttm/Z^, где Za — число активных, т. е. приходящихся только на время прямого хода кадровой развертки (на высоту растра), строк разложения. Единицей измерения пространственной частоты при этом является телевизионная линия (тел). Из сказанного следует, что т = 2Nh, твл.
Существует также понятие относительной пространственной частоты, под которой понимается соотношение £ = m/2Za. Тогда со = nmlZ& - 2л£. При т = Za, £ = 0,5 и со = л.
На рис. 1.10, а, б представлены нормированные, т. е. приведенные к единице при = 0, а также переходные характеристики телевизионной системы. Кривая 1 соответствует случаю, когда ПЧХ системы имеет П-образ-ную форму с резко ограниченной полосой частот. На соответствующей переходной характеристике наблюдаются выбросы, носящие при отсутствии фазовых искажений симметричный характер. Наличие этих выбросов приводит к появлению на воспроизводимом изображении повторных контуров границ крупных деталей объекта. Из сравнения кривых 2 и 3 видно,
23
Рис. 1.10. Пространственно-частотные (с) и переходные (6) характеристики телевизионной системы
что максимальная крутизна переходной характеристики, имеющая место при х=0, зависит от площади, ограничиваемой ПЧХ. Это положение справедливо только для монотонно изменяющихся ПЧХ.
По переходной характеристике оп-
ределяют резкость границ воспроизводимого изображения как разность бх= = л09-л01 между точками, соответствующими 0,9 и 0,1Л(х) (см. рис. 1.10).
При нахождении ПЧХ системы следует помнить, что она представляет собой произведение ПЧХ отдельных звеньев: объектива, фотопреобразователя, ввдеотракта и кинескопа.
Из определения ПЧХ следует, что для ее получения экспериментальным путем необходимо использовать оптические миры с синусоидальным распределением яркости вдоль линий развертки в оптической мире (рис. 1.11, а).
Рис. i n Синусоидальное (о) На практике, однако, удобнее поль-
и прямоугольное (б) распределения зоВЭТЬСЯ более ПРОСТЫМИ ШТРИХОВЫМИ ' г мирами, имеющими прямоугольное
распределение яркости (рис. 1.11,6). Снятые по таким мирам харак-
теристики называются частотно-контрастными характеристиками (ЧКХ), обозначаемыми Для сравнения между собой ПЧХ и ЧКХ можно воспользоваться следующими формулами:
8(со)=Л
/Дсо)+-Л'(3©) - - /Г(5со) + - К(1а) 3 5 7
24
Рис. 1.12. Частотно-контрастные характеристики телевизионной системы: о — стандартная; б — при различных отношениях сигнал/шум;
7-ч' = ч'пих;^-ч' = о,5Ч/пих
4 111
£?(©) = — &(ю)—3(3<в)ч—3(5со)— &(7<в)... л 3 5 7
Отметим, что как ПЧХ, так и ЧКХ можно непосредственно выразить через число полупериодов или линий т соответствующей миры, приходящихся на высоту растра. Обозначают их &(т) и К(т).
При стандартных измерениях ЧКХ зависимость К(т) обычно снимается по предельно контрастным оптическим мирам и при достаточно больших освещенностях фотопреобразователя, которые обеспечивают максимальное отношение сигнал/шум на выходе видеотракта vpmaK от крупных деталей изображения (рис. 1.12, а). При пониженных значениях vp ЧКХ изменяют свое расположение. В этом случае семейство нормированных ЧКХ может быть представлено в виде, изображенном на рис. 1.12, б. Значение Д0,1)здссь соответствует контрасту сигналов на выходе видеотракта от крупных деталей изображения при vp = kpmax, а кривая 1 представляет собой стандартную ЧКХ. Кривая 2 построена для случая vp = 0,5 vpmax.
В заключение отметим, что для оценки частотных свойств телевизионной системы помимо общепринятых понятий ПЧХ и ЧКХ используется также понятие функции передачи модуляции (ФПМ). При этом по осям ординат соответствующих графиков откладывается коэффициент модуляции яркости М, равный отношению амплитуды изменения яркости между белым и черным штрихами Lm к среднему значению яркости штрихов £0 (ГОСТ 2653-80): М= (£max - = £„/£0 =(£max - £min)/(£max + Zmin)
(см. рис. 1.11, a).
1.4. ГРАДАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Градационная (полутоновая) характеристика телевизионной системы, определяющая ее нелинейные свойства, выражается зависимостью In L =f (In £'), где £ — яркость воспроизводимого на экране кинескопа
25
изображения; L' — яркость объекта. Полное физическое подобие двух полей яркостей Z'(x, у) и L (х, у) будет, очевидно, в случае выполнения равенства L (х, у) - к^Е(х, у), где кр — коэффициент пропорциональности. Отсюда получаем соотношение
^rnax / ^min max / min —
из которого следует, что телевизионная система должна полностью воспроизводить динамический диапазон яркостей объекта. Однако это реально только для частных случаев передачи по телевизионному каналу фотографий, полиграфической и другой аналогичной продукции и практически неосуществимо при воспроизведении 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 яркостей не является обязательным. Обязательным является лишь получение необходимого объема зрительной информации об объекте или требование, вытекающее из художественного восприятия передаваемой сцены. При этом возможно не только сжатие динамического диапазона яркостей объекта, но и в случае необходимости заведомое искажение закона распределения градаций яркости внутри этого диапазона. Определяющим фактором является зрительное впечатление от изображения, которое при заданных условиях наблюдения и размерах изображения объекта будет зависеть от кривой зрительных ощущений яркости A =/(ln L), где зрительное ощущение яркости А выражается в условных единицах зрительного ощущения, принимаемых как ЛД,ор = 1 [41]. Отметим попутно, что ЛД,ор соответствует одной световой градации, выраженной в ощущениях яркости, в то время как AZnop является той же градацией, но выраженной в объективных единицах.
Рассмотрим два случая определения градационной характеристики телевизионной системы, отвечающие условиям 6 = const и 0 * const, где 0 - коэффициент в формуле (1.1).
1. При 6 const зрительное ощущение градаций яркости подчиняется закону зрительного восприятия яркостей, т, е. психофизическому закону Вебера — Фехнера. Согласно этому закону А = 6 In L + с и А = 0 ta L' + d. С учетом выбора единицы измерения А положим далее с = d = 0.
Выражение для искомой градационной характеристики можно получить, если известна или задана зависимость A =f(A), которая имеет смысл градационной характеристики системы, выраженной в световых ощущениях. Крутизна этой характеристики называется градиентом воспроизведения полутонов: у = dA/dA, откуда с учетом равенств dA = 0 dL/L nd А' = 0 did/I! получаем
dL/L = ydL '/L'
и, следовательно,
In Z = yln Z'+ln Zt, (1.13)
где In Zj — постоянная интегрирования.
Из формулы (1-13) следует, что градационная характеристика линейна, если у=const, причем этот случай соответствует равномерной и пропорциональной передаче градаций яркости А Л, выраженных в световых ощущениях. Если значение коэффициента у не постоянно внутри динамического диапазона 26
Рис. 1.13. К определению контрастной чувствитель ности зрения при переменной (а) и постоянной (б) адаптации зрения
передаваемых яркостей, то градационная характеристика оказывается нелинейной.
Коэффициент у часто называют коэффициентом контрастности, численно равным показателю степенной функции, вытекающей из уравнения (1.13):
L = krL’y, (1.14) где коэффициент кг = ~ Дпах/^тах’
2. 0 const. Формула
(1.14) долгое время являлась основой для расчета градационной характеристики телевизионной системы и ее звеньев. Однако еще Е. Лоури в 1929 г., а затем и другие исследователи под руководством Е. Л. Орловского показали, что закон восприятия градаций отличается от закона восприятия яркостей Вебера и Фехнера. Отличие заключается в том, что восприятие градаций отдельных деталей телевизионного изображения производится наблюдателем практически при постоянной адаптации зрения. В экспериментах Вебера и Фехнера адаптация таза изменялась с изменением яркости сравниваемых полей, имевших значительную площадь (рис. 1.13, а). Е. Лоури впервые снял кривую зависимости контрастной чувствительности зрения от яркости при постоянной адаптации £а (рис. 1.13, 6) и показал, что даже в сравнительно узком интервале яркостей значение L стро-
го говоря, не остается постоянным.
В рассматриваемом случае кривая зрительных ощущений поля яркостей изображения A =/(ln L) выражается нелинейной функцией
Л = /0 — J L
или Л = J0d(ln £) + с,
(1-15)
dL
где е =
Рис. 1.14. Зависимости и H=/(lgZ.) при
постоянной адаптации зрения £а= ЗЗОкд/м2
Для графического построения градационной характеристики системы на основе экспериментально снятых кривых при различных уровнях адаптации =/(1п £), одна из которых в зависимости от десятичного логарифма приведена на рис. 1.14 [41], предварительно строятся зависимости
27
Рис. 1.15. Диаграмма построения градационной характеристики телевизионной системы
Л=/(1п£) и A' =/(ln L'). При этом используется формула (1.15), в которой операция интегрирования заменяется суммированием конечных величин. Из формулы (1.2) вытекает, что при АД1ор = 1 коэффициент в = L /А£пор, и, следовательно, кривая L /А£пор = f (In Z) является кривой крутизны зависимости Л=/(1п£).
При расчете градационной характеристики, как и в первом случае, должна быть задана зависимость A-f (А). Тогда путем обычных построений в четырехквадрантной диаграмме (рис. 1.15) получается искомая характеристика In L = / (In £'). При этом очевидны соотношения:
О = dA /d{\n L) , 9' = dA /<7(1п L’), откуда крутизна градационной характеристики {градиент воспроизведения полутонов)
G_dA__ 9 d{\nL) ~ dA' “ 9' (In £')
численно равна числу градаций на воспроизводимом изображении, приходящихся на одну градацию яркости объекта.
При G* const будут существовать градационные искажения, т. е. нарушения пропорциональности при передаче отдельных групп градаций яркости.
Таким образом, можно заключить, что расчет градационной характеристики телевизионной системы по формуле (1.14) рекомендуется производить в сравнительно узком интервале яркостей, в котором функцию A =/(ln Z) допустимо аппроксимировать прямой 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 максимальной пространственной частотой, при которой обеспечивается пороговый контраст воспроизводимого на экране кинескопа изображения предельно контрастной синусоидальной или штриховой миры для визуальных систем, либо пороговое отношение сиг
28
нала к шуму на выходе видеотракта от той же миры для автоматических систем. Следовательно, согласно этому определению, в состав визуальной телевизионной системы включается и зрительный аппарат оператора — получателя конечной информации. От разрешающей способности системы зависит четкость изображения, являющаяся показателем его качества.
Разрешающую способность при линейной развертке обычно оценивают в двух направлениях (вдоль и поперек строк) и измеряют, как и пространственную частоту, в телевизионных линиях, приходящихся на высоту растра h. В любом направлении разрешающая способность Rp = h/1 (твл), где I - ширина воспроизводимого штриха миры на пороге ее различения. Поскольку h = ZJC, где /с - ширина строки, то
(1.16)
При /с = I имеем R? = Za.
В оптике разрешающую способность принято измерять числом пар предельно различимых черных и белых линий миры, приходящихся на один миллиметр. Если обозначить эту величину через N, лин./мм, а высоту растра на фотопреобразователе или кинескопе через я, то получим R? = 2Nph.
Продольная разрешающая способность телевизионной системы тр определяется по ПЧХ или ЧКХ, если известно значение уровня отсчета А (см. рис. 1.10). При этом тр = 2Za^p, где — корень уравнения 9(^р) = А. Значение уровня отсчета для систем визуального типа зависит от распознаваемости оператором изображения миры, т. е. ее порогового контраста в реальных условиях телевизионного наблюдения А^. Уровень отсчета разрешающей способности для визуальных систем А = / К(0)
(см. рис. 1.12). Поскольку пороговый контраст зависит от размера детали объекта, т. е. в данном случае от значения т, то и уровень отсчета в общем случае не остается постоянным и зависящим от расстояния наблюдения Н (рис. 1.16). Для исключения зависимости разрешающей способности системы от величины Н необходимо рассматривать изображение миры на сравнительно близком расстоянии (расстоянии Н3, рис. 1.16).
Для автоматических систем д = Упор/Утах» w Упор - пороговое отношение сигнал/шум, определяемое условиями регистрации сигнала от предельно контрастной миры на выходе видеотракта с заданной вероятностью; ц/тах — максимальное отношение сигнал/шум, взятое для крупных деталей изображения, когда разрешающая способность достигает максимума т£р (рис. 1.17). Очевидно, что при пониженных отношениях сиг-
Рис. 1.16. Определение разрешающей способности телевизионной системы при различных расстояниях Н от наблюдателя до экрана кинескопа
29
Рис. 1.17. Зависимость разрешающей способности системы от отношения сигнал/шум
нал/шум разрешающая способность будет меньше предельной (см. рис. 1.12, 6).
Из рис. 1.10 следует, что при различных формах ПЧХ разрешающая способность системы может оказаться одинаковой. Однако площадь, ограничиваемая разными по форме ПЧХ, будет различной. Для монотонно изменяющихся характеристик площадь под ПЧХ определяет резкость передаваемого изображения и, следовательно, при одной и той же разрешающей способности систем резкость воспроизводимых ими изображений окажется неодинаковой.
Поперечная разрешающая способность телевизионной системы лр ограничивается числом строк разложения. Предположим, что строки растра располагаются плотно одна к другой, т. е. без наложений и про-пусков(рис. 1.18). Тогда поперечная (вер
тикальная) разрешающая способность будет определяться размерами пе-
редаваемых штрихов миры и их расположением относительно осей строк. В случае, когда оси строки и штриха, имеющие одинаковую ширину, совпадают, получим при воспроизведении I- 1С и, следовательно, лр = Za. При смещении осей на половину строки воспроизводимое изображение штриха будет вдвое больше вертикального размера передаваемого изображения, т. е. /=2/с, что согласно формуле (1.16) соответствует случаю пр = 0,5Za. При расчетах обычно принято оценивать разрешающую способность системы в поперечном направлении как некоторую среднюю величину пр = 0,75Za.
Поперечная разрешающая способность может быть определена с уче
том двух факторов: угловой разрешающей способности глаза (остроты
зрения) оспор, ограничивающей видимость строчной структуры растра, и условия обнаружения или опознавания мелких деталей изображения 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 == tg <р = h / (прН);
в угловых минутах
I
Рис. 1.18. Иллюстрация зависимости поперечной разрешающей способности системы от относительного расположения штрихов миры
tzzzzzzzzl
I
ф = 180 • 60 • h / (ппрН) = = 3438Й / (прН).
зо
Если принять H/h = 5 и приравнять <р = апор - Г, то получим лр = 668 твл, Z&-nvl 0,75 = 920 строк. Отметим, что для существующего стандарта на вещательное телевидение Za = 57 5 строк, чему соответствует ир = 430 твл и H/h = 8.
2. Необходимое значение ир, удовлетворяющее условию обнаружения или опознавания мелких деталей изображения, можно определить, если известен характер объекта. При этом нужно знать экспериментально устанавливаемое число различимых элементов рэ, приходящихся на вертикальный размер обнаруживаемой детали. Например, лицо человека может быть узнано при рэ = 30, автомобиль в движении — при рэ = 3, а в неподвижном состоянии — при рэ = 8 [31]. Существуют следующие рекомендации при выборе значениярэ [52]. Обнаружение объекта требует примерно двух-трех телевизионных линий, приходящихся на его минимальный размер, различение — 8 твл и опознавание — 12,8 твл.
Если известно значениер3, а также вертикальный размер изображения детали й0, то
Таким образом, чем крупнее деталь, т. е. чем больше размер /г0, тем меньшая разрешающая способность системы требуется для ее обнаружения или опознавания, а следовательно, и меньшее 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 телевидение, что, однако, не является обязательным для систем прикладного назначения.
1.6. КОЛИЧЕСТВО ГРАДАЦИЙ ЯРКОСТИ ВОСПРОИЗВОДИМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
В телевизионной системе распознаваемость объекта и его деталей на экране кинескопа основана на различении перепадов яркости, называемых градациями яркости или полутонами. Пороговая храдация яркости AZnop, при которой возможно обнаружение.или опознавание объекта, зависит от контрастной чувствительности зрения в заданных условиях наблюдения. Для автоматических систем аналогом воспроизводимой градации яркости является приращение (градация) сигнала A Uc, которое может быть с требуемой вероятностью зафиксировано пороговым устройством АЦП. Связь А(7С с пороговым отношением сигнала к шуму устанавливается формулой
Упор=мА/с
где иш — напряжение шумов на входе порогового устройства.
Выше было показано, что связь яркостей объекта L' и воспроизводимого системой изображения Z устанавливается ее градационной характеристикой In Z = /(In £')• По аналогии для автоматических систем можно написать In Uc =/(ln L'), где Uc - сигнал на входе порогового устройства. Очевидно, что обе эти характеристики ограничиваются динамическим
31
диапазоном яркостей объекта L'msx / Z'min или чаще яркостей изображения Zmax / L^, а для автоматических систем - динамическим диапазоном сигналов на входе АЦП Uc max/l/cmin.
Аналитическое решение задачи нахождения количества воспроизводимых системой градаций яркости крупных деталей изображения можно произвести, воспользовавшись, например, формулой (1.14) для визуальных систем или по аналогии с ней формулой
ис=к^'у (1.17)
для систем автоматического типа.
Отметим, что, поскольку выражение (1.14) вытекает из закона Вебера—Фехнера, значение градации AZ пор при изменении яркости изображения L не остается постоянным, так как AZ пор/ L = Кпор = const. Тогда для этого случая можно написать
^max=iminU+W’
где п - число воспроизводимых градаций яркости AZnop.
Отсюда
п = ln(ZmaxMm.n) = In <44 /4Р
1п(1 + 2Гпор) 1п(1 + Л7пор)
В случае, если пороговый контраст Кпор во всем диапазоне воспроизводимых яркостей нельзя считать постоянным, то, как показывает анализ кривых L /AL=f(L), вплоть до яркости адаптации La (см. рис. 1.14) в первом приближении допустимо положить AZnop « const и тогда
откуда
n = (L -L . )/М. = KL /AZ , v max minnop max • nop’
где К- максимальный контраст изображения на экране кинескопа в от-
Рис. 1.19. Распределение градаций яркости объекта Л L' внутри динамического диапазона Д™ автоматической системы
сутствии посторонних засветок; Алах /д4ор ~ контрастная чувствительность глаза при максимальной яркости экрана г
max*
Легко убедиться, что присутствие посторонних засветок не влияет на количество передаваемых градаций яркости.
Для автоматических систем 4тах=4ппп + «Д4. ОЖУ№ с учетом формулы (1.17)
« = *i[(/4ax)y-(4in)y]/A4-
Из полученных результатов следует, что число градаций яркости, воспроизводимых теле-
32
визионной системой, будет определяться пороговыми величинами A^op, А^1ор или A £ZC, а также динамическим д иапазоном передаваемых кинескопом яркостей (для автоматических систем — сигналов на входе порогового устройства АЦП). Коэффициент контрастности у, от которого зависят форма градационной характеристики и ее наклон (в логарифмических координатах) , влияет только на перераспределение градаций яркости объекта AZ' по динамическому диапазону Z'max / Z'min и не изменяет их общего числа (рис. 1.19). Так, при у <1 число градаций яркости на темных участках изображения будет увеличенным по сравнению со светлыми участками, а при у > 1 — наоборот. При у = 1 будет иметь место равномерное распределение градаций. Таким образом, изменяя значение коэффициента у, можно регулировать информативность передаваемого изображения на отдельных участках динамического диапазона и тем самым улучшать условия обнаружения или опознавания объекта наблюдения.
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 малокадровых системах (см. гл. 10). В этом случае в системе предусматривается специальный преобразователь стандартов, позволяющий наблюдать изображения на обычном экране.
Частота смены кадров в телевизионном датчике определяет частоту съема информации системой и является параметром, от которого зависят временное разрешение системы и требуемая полоса частот канала связи. Основным критерием при выборе частоты смены кадров на приемной стороне для визуальных систем является допустимый уровень мерцаний изображения. В вещательном телевидении частота мерцаний должна быть не ниже критического значения fKp, при котором изображение, по крайней мере, в пределах центрального зрения, воспринимается как полностью слитное. В прикладных системах, особенно если длительность непрерывного наблюдения не превышает нескольких минут, частоту смены
кадров можно несколько снизить.
Ранее отмечалось, что критическая частота зависит от ряда причин, в частности от яркости изображения. В табл. 1.1 приведены результаты изме-
рения частоты мерцания при различных значениях яркости экрана, выполненного из виллемита (Zn2 • SjO4 • Мп) [31].
Частота мерцаний и время затухания экрана существенно зависят от материала люминофора, который нанесен на экран. Если система предназначена для передачи малоподвижных изображений, то можно выбрать люминофор с увели-
3
Зак. 352
Таблица 1.1
кд/м2 Частота мерцаний, Гц
порогового заметного утомляющего
1.5 36 31 25
6,0 41 37 31
30,0 48 43 38
33
ченным временем затухания и за счет этого снизить видимость и частоту мерцаний изображения. Определяющим фактором при выборе люминофора будет являться остаточная яркость, с которой начинается новый цикл его возбуждения. Для виллемита ZCCT = 1,25 %.
С учетом высказанных соображений частоту смены кадров в прикладном телевидении допустимо выбирать на 10 —15 % ниже, чем это предусмотрено вещательным стандартом. Однако при выборе частоты смены кадров приходится учитывать и другие факторы, например, искажения, возникающие при передаче изображений, движущихся в продольном направлении объектов, или возможность унификации элементной базы при проектировании системы.
Выбор яркости фона телевизионного изображения должен удовлетворять следующим требованиям [31].
1. Яркость должна быть достаточной д ля обеспечения удовлетворительной остроты зрения. Если принять при яркости 3000 кд/м2 остроту зрения за 100 %, то при яркости 30 кд/м2 она будет составлять примерно 80 %.
2. Яркость должна быть достаточной с точки зрения длительности сохранения глазом заданной остроты зрения. Устойчивость ясного видения растет с увеличением яркости и достигает максимума при яркости около 64 кд/м2, оставаясь затем примерно постоянной.
3. Выбранная яркость должна удовлетворять достижению максимально возможной контрастной чувствительности глаза и для этого ее значения должны составлять от 30 до 300 кд/м2.
4. При наличии посторонних засветок экрана кинескопа яркость должна выбираться достаточной с точки зрения д опустимого снижения контраста изображения.
Таким образом, принимая во внимание перечисленные требования, а также возможности современных типовых кинескопов, рекомендуемые значения яркости фона телевизионного изображения должны составлять 40 - 90 кд/м2.
1.8. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И КОНТРАСТНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Системы прикладного назначения часто приходится эксплуатировать в сложных условиях наблюдения, которым свойственны ограниченные контрасты и энергии входных изображений. В таких случаях особо важное значение приобретают энергетическая и контрастная чувствительности системы.
Определим энергетическую чувствительность как величину, обратную минимальной входной энергии а контрастную чувствительность как величину, обратную минимальному контрасту входного изображения min, при которых система обеспечивает выполнение сео лх функций. К таким функциям для систем наблюдения относятся обнаружение и опознавание объекта с заданной вероятностью, а для измерительных систем — измерение того или иного параметра объекта с требуемой точностью.
34
Данное определение физически связывает между собой энергетическую ес = 1 / WBx min и контрастную ес = 1 / min чувствительности системы, что является оправд анным с точки зрения системного подхода к радению указанных задач и предопределяет в широких пределах возможность проведения между обеими величинами обменных операций. Подобный подход может осуществляться, например, путем изменения коэффициента усиления видеотракта, как это будет показано в гл. И.
Для прямого контраста:
= ^фпип’ ^BXmin = (^ф
где Иф и Wo — 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 S3. Тогда для прямого контраста:
ер = 1 /IS); е= Е./(Е.-Е), с ' ' фmin н э' ’ с ф' 4 ф о' ’
где Е - освещенность фотопреобразователя; tH — время накопления энергии (для систем без накопления энергии tH - время передачи одного элемента).
Если освещенность за время tH не остается постоянной, то получим следующие соотношения:
t
где 11 = J E(t)dt - экспозиция, сообщаемая фотопреобразователю.
о
На практике часто пользуются понятием энергетической или световой чувствительности системы, датчика или фотопреобразователя как величиной, обратной минимальной освещенности. Ограниченность использования этого критерия, особенно при сравнении систем с различными площадями элемента 5Э или временем накопления /н, очевидна.
Глава 2. РАЗВЕРТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ ВИДЕОСИГНАЛА
2.1. ЗАКОНЫ И СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ РАЗВЕРТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Основополагающим принципом действия телевизионной системы является принцип последовательной передачи изображения по элементам. Процесс последовательного преобразования яркостей элементов оптического изображения в электрические сигналы или обратный процесс называется разверткой изображения. Таким образом, с помощью развертки происходит электрооптический анализ и синтез изображения. Развертка может осуществляться как на входе системы, так и в плоскости расположения объектов. В большинстве телевизионных систем развертка изображения производится на входе системы — в передающих трубках или твердотельных приборах одновременно с процессом фотоэлектрического преобразования. Развертку в плоскости объекта осуществляют в так называемых системах «бегущего луча». К ним относятся, например, лазернотелевизионные системы с электронным или механическим сканированием луча. Помимо высокой концентрации энергии лазерный луч обладает малой расходимостью. Это позволяет получать высокую разрешающую способность системы как на больших, так и на малых расстояниях от объекта.
Развертки, используемые в современной телевизионной аппаратуре, можно классифицировать по различным критериям, наиболее характерными из них являются следующие:
закон движения развертывающего элемента (построчная, чересстрочная, спиральная, радиальная и другие развертки);
скорость движения развертывающего элемента (постоянная или переменная скорость разложения, «быстрая» или «медленная» развертки);
характер движения развертывающего элемента во времени (непрерывный или дискретный в каком-либо направлении);
наличие или отсутствие растра (однострочная, растровая и безрастровая развертки), а также его форма (круглая, прямоугольная, квадратная).
Отметим, что растром называется совокупность строк, приходящихся на один кадр. (Кадр—это изображение, содержащее полное количество элементов, на которое оно разлагается в процессе электрооптического анализа).
а)
б)
1 3.
S 7 9 h 13
ayzzzzzzzzzz » 2 ZZZZZZZZZZZ2 2
" 4ZZZZ
-ZZZZZZZZZZZZZZ2. 4
^ZZZZZZZZ
'ZZZZZ/ZZ
VZZZZZZZZZi ZZZ2ZZ222ZS!72
Рис. 2.1. Построчная (о) и чересстрочная (6) развертка изображения
VZZZZZZZZZ? 7
ZZZZZZZZZZ2 б
-ZZZZZZ2&
ZZZ /о
36
Наибольшее распространение имеют построчная и чересстрочная развертки, обеспечивающие получение растра прямоугольной или квадратной формы при непрерывном движении развертывающего элемента в продольном и дискретном смещении его в поперечном направлении (рис. 2Л,а,б). В твердотельных фотопреобразователях в продольном направлении развертка также является дискретной.
При построчном разложении разертывающий элемент последовательно обегает все строки, причем развертка изображения в течение одного кадра происходит за один цикл. В этом случае частота кадровой развертки и частота смены кадров совпадают. При чересстрочной развертке разложение изображения, соответствующее одному полному кадру, производится в два приема. Сначала осуществляется разложение нечетными, а затем четными строками. При этом обеспечивается чересстрочная развертка, в которой отношение времени передачи одного поля ко времени передачи всего кадра составляет 1:2. При этом должно быть выполнено условие Z= 2п + 1, где Z— число строк в кадре; п — любое целое число.
Аналогично можно получить чересстрочную развертку 1:3, 1:4 и т. д. При чересстрочной развертке 1:2 частота кадровой развертки оказывается в два раза выше частоты кадров, что позволяет в два раза увеличить частоту мельканий изображения по сравнению с построчной разверткой, имеющей ту же скорость в продольном направлении и ту же длительность кадра. Преимущество чересстрочной развертки можно реализовать только в визуальных системах. В автоматических системах ее использование не
рационально, поскольку она значительно усложняет синхронизирующие устройства. Чересстрочное разложение в автоматических системах оправдано лишь сточки зрения унификации элементной базы.
Как построчная, так и чересстрочная развертка осуществляется обычно с постоянной скоростью сканирования развертывающего элемента. Это обеспечивает идентичность условий образования сигнала изображе-нияво всехточках растра, так как для трубок с накоплением энергии величина сигнала обратно пропорциональна времени коммутации участка мишени, равного одному элементу разложения, т. е. размеру развертывающего элемента. Это является весьма важным как для обзорных, так и для измерительных систем, поскольку величина сигнала оказывается не зависящей от положения изображения объекта внутри растра.
Постоянства скорости сканирования как в продольном, так и в поперечном направлении можно достичь за счет применения так называемых «линейных», «треугольных» или
а)хк
Рис. 2.2. Линейная (а), треугольная (6) и трапецеидальная («) развертки изображения
37
«трапецеидальных» разверток. Недостатком линейной развертки является наличие обратных ходов по строкам и кадрам (рис. 2.2, а). В соответствии с существующим стандартом на обратный ход кадровой развертки отводится 8 % от ее периода, т. е. Го6/( 7о6+ 7пр) = 0,08. Тогда при полном (номинальном) числе строк разложения, приходящемся на весь кадр (Z= 625), число активных, т. е. приходящихся только на прямой ход развертки, строк составляет Za = 575. Таким образом, 50 строк теряется при возвращении развертывающего элемента из нижней части растра в верхнюю (по 25 строк в четном и нечетном полях). 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, в) относятся к разряду реверсивных разверток, в которых обратные ходы отсутствуют полностью или частично (остается обратный ход только по кадрам). Однако применение их 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 развертка. При ее использовании (обычно только в направлении строк) упрощается процесс неискаженной передачи по кабелю развертывающего тока, что необходимо при значительном удалении генератора разверток от телевизионного датчика. Недостатком синусоидальной развертки является непостоянство скорости сканирования, возрастающей к центру растра. В результате этого величина и длительность сигнала от одинаковых объектов оказываются зависимыми от их положения. Если использовать только центральную часть синусоиды, то развертка приближается к трапецеидальной.
Спиральная развертка позволяет получить круглую форму растра и, следовательно, наиболее полно использовать площадь мишени передающей трубки. При спиральной развертке с постоянным шагом развертывающий элемент движется по спирали Архимеда (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 промоделированного пилообразным напряжением синусоидального напряжения (тока) на обе
Рис. 2.3. Траектория движения развертывающего элемента (а) при спиральной развертке и форма развертывающего напряжения (б), подаваемого на одну пару отклоняющих плстин электронно-лучевой трубки (радиусу г соответствует напряжение Цт)
38
пары отклоняющих пластин (катушек) электронно-лучевой трубки со сдвигом по фазе на 90 %. Основным недостатком спиральной развертки является непостоянство 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 накоплени
ем энергии.
В специальных телевизионных системах широкое распространение получили безрастровые развертки. В первую очередь это относится к однострочной развертке, которую условно можно причислить к безрастровой
(растр состоит из одной строки). Однострочная развертка применяется в измерительных системах, причем особенно удобно ее использовать для измерения линейных размеров. В информационных системах однострочную развертку применяют в тех случаях, когда необходимо получить информацию только о наличии объекта в определенной точке наблюдаемого пространства.
В читающих автоматах для
Рис. 2.4. Шаговая следящая развертка
опознавания символов используют шаговую следящую развертку дискретного типа. При следящей развертке развертывающий элемент перемещается шагами по контуру опознаваемого объекта (рис. 2.4). Алгоритм сле-
жения сводится к следующему:
развертывающий элемент может двигаться дискретными шагами равной величины в четырех направлениях (вверх, вниз, влево, вправо);
после каждого шага направление движения должно изменяться;
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 наиболее
прост и экономичен, так как элемент делает минимальное число движений. Недостатком алгоритма является то, что, при наличии помех, выражающихся в изменении длины шага, устойчивость работы нарушается, и элемент может начать двигаться по замкнутому циклу. Чтобы устранить этот недостаток, алгоритм приходится усложнять.
В высокоточных координаторах точечных объектов применяются сложные комбинированные развертки изображения, основанные на использо вании так называемого «малого растра». Применение развертки с «малым растром» позволяет достичь высокой точности измерения координат объекта без предъявления жестких требований к стабильности работы схемных элементов телевизионного датчика и к геометрическим и нелинейным искажениям при отклонении развертывающего элемента.
Принцип работы телевизионного датчика с комбинированной разверткой заключается в следующем. Изображение 'участка пространства, внут
39
Рис. 2.5. Комбинированная развертка с малым растром: 1 — малый растр; 2 — изображение точечного объекта
ри которого находится интересующий наблюдателя объект (например, фотография с изображением треков ядерных частиц), оптическим путем совмещается с решеткой (рис. 2.5). Координаты объекта, находящегося в определенной зоне (ячейке) решетки, будут складываться из координат самой зоны и координат объекта внутри зоны. Координаты зон определяются по числу тактовых импульсов, которым соответствуют «прутья» решетки. Координаты объекта внутри зоны определяются путем создания на ее месте «малого растра», образуемого по закону построчной развертки с числом строк разложения около 20 —30. Очевидно, что чем меньше шаг решетки, тем выше будет точность
измерения координат объекта. Высокой точности измерения можно до-
биться только при условии, если развертывающий элемент достаточно мал, т. е. разрешающая способность передающей трубки высока. Необходимое значение разрешающей способности по всему полю изображения легче всего получить в специальных трубках, предназначенных для работы в системе «бегущего луча».
Если расположение зоны, в которой может находиться объект, заранее известно, малый растр в эту зону устанавливают с помощью специального адресного устройства.
Таким образом, в рассматриваемой системе используется комбинация дискретного перемещения малого растра и непрерывной развертки внутри него. Дискретная развертка для перемещения малого растра при использовании ЭВМ, в которой заложены адреса всех зон, существенно снижает время, необходимое для проведения операции измерения.
2.2. ФОРМА И ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА
При последовательной поэлементной развертке изображения происходит преобразование средней яркости элементов изображения в видеосигнал (сигнал изображения), являющийся функцией времени. Отметим, что под элементом изображения понимается минимальная площадь фото-чувствительной поверхности, выделяемая в процессе электрооптического анализа изображения, внутри которой возможна передача только средней яркости.
Процессы электрооптических преобразований (ана- / лиза и синтеза) при развертке изображения происхо-дят с помощью развертывающего элемента (развер- .
тывающей апертуры). В телевизионной системе раз- \7~jj меры элемента изображения жестко связаны с раз-вертывающим элементом. В телевизионных датчиках, 2
построенных на Трубках типа диссектор ИЛИ устрой- рис 2.6. Активная ствах лазерного сканирования в пространстве объек- и пасивная части
тов, размеры развертывающего элемента всегда посто- развертывающего
янны. В передающих трубках с накоплением энергии элемента
40
Рис. 2.7. Форма и уровни видеосигнала
элемент состоит из активной 1 и пассивной 2 частей
развертывающий (рис. 2.6), причем активная часть, непосредственно осуществляющая коммутацию накопленных зарядов, пульсирует, изменяясь вместе с величиной заряда, пропорциональной средней яркости передаваемого элемента изображения, и достигает в максимуме всей площади развертывающего элемента. Этот процесс, открытый Я. А. Рыфтиным, получил название эффекта пульсации — адаптации [48].
Если развертывающий элемент исчезающе мал, то видеосигнал точно повторяет все изменения яркости вдоль линии развертки, а его форма носит импульсный характер с бесконечной крутизной фронтов. При конечных размерах развертывающего элемента перепады сигнала сглаживаются, а сам сигнал имеет вид, изображенный на рис. 2.7. Во время обратного хода по строкам и кадрам сигнал принимает минимальное значение, называемое уровнем черного. Соответственно наибольшее значение сигнала называют уровнем белого. В телевизионной технике уровень черного всегда стабилизируют. Уровень белого, а вместе с ним и средний уровень сигнала, т. е. его постоянная составляющая, изменяется и зависит от яркости наиболее светлых участков передаваемого изображения. Из рис. 2.7 следует, что видеосигнал всегда униполярен, т. е. имеет только один знак. Это соответствует представлению, согласно которому яркость изображения может быть только положительной.
Конечность размеров развертывающего элемента диаметром dкак передающей трубки, так и кинескопа, приводит к появлению так называемых апертурных искажений изображения. В результате этих искажений видеосигнал Uc на выходе передающей трубки от крупных деталей передаваемого изображения приобретает на границах размытую форму, а относительная глубина модуляции видеосигнала от мелких деталей Мтр уменьшается (рис. 2.8). Аналогично проявляются и апертурные искажения, создаваемые кинескопом и характеризуемые глубиной модуляции яркости Мк. Результирующая глубина модуляции:
м = м мк =--------------------------,
р пер к ц _ ц Т _ т стах стт max тт
41
Рис. 2.8. Иллюстрация апертурных изображений крупных (а) и мелких (6) деталей изображения
где Zmax, Zmin, AZM — максимальная и минимальная яркости экрана от крупных деталей изображения и перепад яркости от мелких деталей соответственно.
Перейдем к рассмотрению частотного спектра видеосигнала. Предварительно отметим, что при построчной и чересстрочной 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, наиболее верно при передаче изображений неподвижных объектов. При движении объекта с относительно небольшой скоростью по сравнению со скоростью кадровой чазвертки сигнал также можно считать периодичным относительно кадров с медленным изменением периода повторения компонент сигнала. Видеосигналу присуща также квазипериодичность с частотой строк, что следует из существующей, как правило, высокой корреляции сигналов в соседних строках (коэффициент корреляции 0,90 — 0,95).
С учетом высокой корреляции между строками и кадрами можно представить напряжение сигнала как временную функцию
Uc(t)^F(t/Tc,t/TKp) с периодом повторения строчной Тс и кадровой Тк разверток. Тогда сигнал Uc(t) можно представить в виде двойного ряда Фурье:
= Е Е ^m,»cos(2w/^c-(pm)cos(2w/rK.P-<pJ= 'Ч)=0яо=0
= Е Е f/m,R/2{cosfH/c+«o/x)/-((pm+(pJl+ mo=O «о-0
+ COS [И/с-«о/к)/-((Рт-фЛЕ
42
где т() и п0 - число периодов гармонических составляющих передаваемого изображения, укладывающихся вдоль и поперек строк соответственно; <рт, <рл — начальные фазы m-го и я-го компонентов; fc = 1/TC, fK = 1/Т
Отсюда следует, что частоты спектральных линий равны (рис. 2.9)
4>л = ото4 ± «оЛ-
Коэффициенты ряда Фурье Um п определяют амплитуды спектральных составляющих, убывающие с ростом значений т0 и п0, причем скорость убывания амплитуд и ширина спектра определяются содержанием изображения. Если изображение состоит только из вертикальных линий (вертикальная мира), то п0 =
О и fm = mofc, а если только из горизонтальных линий (горизонтальная мира), то то=Ои /„=п^ При т0 = п0 = 0 величина Uc = Um, п представляет собой постоянную составляющую («чистый» растр).
Таким образом, анализ частотного спектра телевизионного сигнала показывает, что, несмотря на многообразие передаваемых сюжетов, его структура обладает устойчивым дискретным характером и содержит составляю-
щие, кратные частоте повторения
строк 4- В случае fK -» 0 (однокадровая передача) спектр преобразуется в непрерывный. При передаче неподвижных изображений около составляющих спектра fc группируются боковые спектры, имеющие также вид дискретных линий, кратных частоте кадровой развертки fK.
При движении объекта около каждой дискретной составляющей спектра появляются дополнительные верхняя и нижняя боковые полосы. Оценим ширину этих полос. Если, например, изображение объекта движется в направлении строчной развертки со скоростью и, то период повторения
видеосигнала в этом направлении увеличивается по сравнению с периодом строчной развертки Тс и составляет Тс' = Тс>/(1 - и/их), где их — скорость строчной развертки. Соответственно частота повторения видеосигнала 4' =4/(1 _ Отклонение частоты повторения сигнала от частоты строчной развертки равно ~fc' =fcv/vx- Если положить и = и 4 = 15 625 Гц, то А 4 « 1,6 Гц. Аналогичный результат получается и при движении объекта в вертикальном направлении.
Из анализа спектра видеосигнала следует, что информация об изображе
нии 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.
43
Рис. 2.10. Изображение оптической миры и формы видеосигнала, соответствующие минимальной (о) и максимальной (б) частотам спектра
Найдем теперь полосу частот, занимаемую переменной составляющей видеосигнала, в случае линейного и равномерного перемещения развертывающего элемента вдоль линии развертки. Очевидно, что минимальная частота спектра при покадровой передаче изображения будет соответствовать рис. 2.10, о (одна черная и одна белая горизонтальные полосы равной величины) и равняться частоте кадровой развертки^. Верхняя граница частотного спектра fB может быть найдена, исходя из необходимости передать изображение равномерной черно-белой миры, штрихи которой располагаются перпендикулярно к движению развертывающего элемента, а их ширина равна диаметру элемента (рис. 2.10, б).
Передача информации о яркостях всех элементов, располагающихся вдоль строки, осуществляется сигналом с частотой fB = 1 / (2А0, где А/ — интервал времени между дискретными отсчетами сигнала по Котельникову, равный времени передачи одного элемента изображения.
Время, отводимое на прямой ход развертки по строкам, равно
т = 1~(Х» •
П ’
а число дискретных отсчетов сигнала в строке -
ЛГ = £ф7(1 -ак), где F* — частота смены кадров ; Z — число строк в одном кадре; ас, ак — относительное время обратного хода по строкам и кадрам соответственно; кф — формат растра (формат изображения), равный отношению его горизонтального размера к вертикальному.
Таким образом, интервал времени между дискретными отсчетами сигнала
Т 1-ас
Аг = — =---------------
N A^Z^l-aJ
44
и, следовательно, верхняя граница частотного спектра
f = t -Wr2(l-aK)
в p 2(1-ac) ’
где Jtp - коэффициент, вводимый эмпирически в целях выравнивания разрешающей способности системы в продольном и поперечном направлениях, кр= 0,7 4- 0,8.
Таким образом, полоса частот переменной составляющей телевизионного видеосигнала (ширина спектра видеосигнала) А/ = fB ~fK « fB.
Для однокадровой развертки формула для верхней граничной часототы принимает вид
2Гк(1-ас)’
где ТК - длительность кадра.
2.3. КООРДИНАТНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Координатные искажения характеризуются отклонением координат точек воспроизводимого на экране кинескопа изображения от координат соответствующих точек оптического изображения, формируемого на входе системы. Координатные искажения приводят к нарушению геометрического подобия передаваемого и воспроизводимого изображений и подразделяются на геометрические и нелинейные искажения.
Геометрическими называют координатные искажения, проявляющиеся в искривлении вертикальных и горизонтальных прямых линий и нарушении прямоугольности или формата растра. Эти искажения подразделяются на бочкообразные и подушкообразные (рис. 2.11), возникающие из-за дисторсии в электронно-оптических системах трубок, трапецеидальные и др. Степень искажений оценивается с помощью коэффици-
вертикальном и горизонтальном
ентов геометрических искажений в направлениях:
Рис. 2.11. Подушкообразные искажения растра
Рис. 2.12. Нелинейные искажения изображения в виде шахматного поля
45
к =---100, %; kr = —100, %.
Б b h
Нелинейные искажения проявляются в изменении нормированного размера объекта передачи при его перемещении вдоль или поперек строк. Они возникают из-за нелинейности кадровой и строчной разверток на приемной или передающей стороне. Нелинейные искажения удобно оценивать по изображению шахматного поля с помощью коэффициентов нелинейных искажений (рис. 2.12):
к = 2b^ 100 % к 2femax, ^in 100 %
^ax+^in fynax +^min
Заметим, что при одинаковой нелинейности разверток на приемной и передающей сторонах нелинейные искажения будут отсутствовать.
Глава 3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Существуют две основные категории многоэлементных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), используемых в телевизионной технике: передающие трубки и твердотельные ФЭП. В этих приборах одновременно осуществляются операции преобразования лучистой энергии в электрический сигнал и развертка изображения. В системах «бегущего луча» применяются одноэлементные ФЭП, как правило, фотоэлектрические умножители. В этом случае развертка осуществляется в пространстве объектов наблюдения путем сканирования светового луча.
Среди телевизионных фотоэлектрических преобразователей большое место занимают передающие трубки, которые разделяются на трубки без накопления энергии — диссекторы и трубки с накоплением энергии — видиконы, супервидиконы и ряд их разновидностей.
3.1. ДИССЕКТОР
Диссектор — трубка, работающая с использованием внешнего фотоэффекта и снабженная вторично-электронным умножителем (ВЭУ). Основное преимущество диссектора по сравнению с трубками, использующими накопление зарядов, заключается в отсутствии электронного прожектора, формирующего развертывающий электронный луч, что существенно повышает надежность и долговечность прибора. Развертка изображения в диссекторе осуществляется путем отклонения электронных потоков, эмитти-руемых фотокатодом и несущих информацию о входном оптическом изображении, относительно неподвижного отверстия, расположенного в специальной диафрагме. Это отверстие играет роль развертывающего элемента. Процесс преобразования сигналов в диссекторе происходит по схеме: Е(х, у) ->/ф(х, у) -> Uc{t), где Е— освещенность фотокатода; — фототок, приходящийся на один элемент; Uc - видеосигнал.
Рис. 3.1. Диссектор
47
Конструктивно диссектор состоит из полупрозрачного фотокатода 1 (рис. 3.1), нанесенного на стеклянную планшайбу, ускоряющего электрода 2, диафрагмы с отверстием 3 и вторично-электронного умножителя, состоящего из динодов 4 и коллектора 5, в цепь которого включен нагрузочный резистор RH.
Фокусировка электронов, вылетающих из фотокатода, осуществляется фокусирующей катушкой 7, а отклонение электронных потоков в горизонтальном и вертикальном направлениях — катушками 6. ВЭУ состоит обычно из 14 динодов.
Фототок, приходящийся на один элемент, площадь которого равна площади отверстия в диафрагме, определяется по формуле гф = Ф^.= ESasp где Фэ — лучистый поток, отнесенный к одному элементу; s. — интегральная чувствительность фотокатода. Тогда ток сигнала на выхода трубки /с = ES^Ky, где Ку — коэффициент усиления ВЭУ. Основной составляющей шума в диссекторе является дробовой шум фототока, т. е. р = 2афА/, где А/— полоса частот видеосигнала. Отношение сигнал/шум на выходе трубки
'с .= .
Простой расчет показывает, что если принять у = 10; А/ = 6,5 МГц; Аэ = 0,2 • 10 s м2 и Sj= 50 мкА/лм, то получим Е- 1300 лк. Для того чтобы обеспечить такую освещенность фотокатода, необходимо иметь освещенность объекта, составляющую десятки, а то и сотни тысяч люкс. Таким образом, диссектор является малочувствительной трубкой, пригодной в основном для наблюдения за весьма яркими самосветящимися объектами, способными создавать на ограниченной площади необходимую освещенность фотокатода. Примером использования диссектора могут служить звездные датчики, предназначенные для навигационных целей. Очевидно, что повысить чувствительность трубки можно за счет увеличения площади отверстия диафрагмы. Однако при этом ухудшится разрешающая способность системы, т. е. будет иметь место обменная операция между чувствительностью и разрешающей способностью.
Низкая чувствительность диссектора обусловлена малым коэффициентом использования лучистого потока, который принимает участие в образовании видеосигнала только 1/А-ю часть времени кадра (N— число элементов разложения в кадре). При времени кадра Тк = 40 мс и 7V= 550 000 элементов получаем время использования потока tK а 70 нс. Резко повысить чувствительность передающей трубки и всей системы в целом можно за счет полезного использования лучистого потока в течение всего времени кадра, что и осуществляется в трубках с накоплением зарядов.
3.2. ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ПЕРЕДАЮЩИХ ТРУБКАХ И МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОГО НАКОПИТЕЛЯ
Принцип использования накопления зарядов в передающих трубках и твердотельных фотопреобразователях заключается в следующем. Предположим, что фототок гф заряжает некоторый элементарный конденсатор,
48
причем процесс заряда происходит линейно в течение всего времени кадра Тк. Тогда заряд QH, накапливаемый конденсатором, будет равен QH = Полный разряд конденсатора осуществляется в течение времени
коммутации элемента /к через нагрузочный резистор R*. При отсутствии потерь коммутируемый заряд равен накапливаемому заряду, а средний ток разряда и является током видеосигнала ic, т. е.
*с = г'ф^к/?к = г'ф^-
Таким образом, ток сигнала оказывается в ТУраз больше фототока и во столько же раз чувствительность трубки с накоплением зарядов будет больше чувствительности диссектора..
Такой выигрыш в энергетической чувствительности может быть реализован только в идеальных передающих трубках с накоплением зарядов. В реальных трубках он оказывается намного меньше из-за нелинейности процесса заряда конденсатора, неполного его разряда за время коммутации, явления частичного перекрытия строк в растре и ряда других причин.
Рассмотрим одну из моделей, реализующую принцип накопления и коммутации зарядов в передающих трубках и позволяющую производить расчеты их характеристик.
Согласно этой модели, электронный пленочный накопитель, входящий в состав любой передающей трубки с накоплением энергии, может быть представлен в виде совокупности элементарных емкостей, зарядно-разрядные процессы в которых обуславливают как накопление зарядов, так и их коммутацию, сопровождающуюся образованием видеосигнала. В эквивалентной схеме одного элемента накопителя (рис. 3.2) учтены два возможных режима работы передающей трубки: непрерывной и импульсной экспозиции накопителя [[18]. Наиболее часто встречающийся режим непрерывной экспозиции предполагает облучение накопителя световым или электронным потоком (зависит от типа накопителя) в течение всего времени кадра Гк и затем разряда накопительной емкости С при коммутации ее развертывающим элементом за время /к. В импульсных и малокадровых системах время облучения ограничивается специальными экспонирующими устройствами до значения 4 << (режим импульсной экспозиции), далее следует время хранения зарядов — от одного до нескольких кадров, и, наконец, разряд емкости при коммутации ее развертывающим элементом. Такой режим работы трубки часто называют режимом работы по памяти.
В эквивалентной схеме накопителя учитываются три главных процесса, приводящих к изменению потенциала элемента во времени: накопление, растекание и коммутация зарядов. Через сопротивления Kit, V) и R'(f) осуществляется заряд накопительной емкости от генератора Гпр, обладающего ЭДС, равной предельному равновесному потенциалу элемен-
49
та, зависящему от типа накопителя. Переключатель Ш определяет моменты включения и выключения устройства экспонирования, а переключатель П2 — коммутирующего устройства. При работе трубки в режиме непрерывной экспозиции переключатель П1 постоянно находится в нижнем положении. В режиме импульсной экспозиции переключатель П1 после ее окончания переводится в верхнее положение, при котором процесс накопления д принципе может продолжаться, что физически объясняется инерционностью фотоэффекта или действием темновых токов в полупроводниковых накопителях.
В любом накопителе одновременно с процессом накопления происходит и растекание зарядов, что является результатом взаимодействия рассматриваемого элемента с соседними элементами. Процесс растекания учитывается в эквивалентной схеме с помощью сопротивления .Яр, значение которого зависит от проводимости материала накопителя и характера передаваемого изображения. В общем случае для крупных деталей изображения Лр -» со, а с уменьшением размера детали R? уменьшается. Во время коммутации элемента (замкнутое положение переключателя П2), продолжающейся короткое время 4., процессом накопления и растекания потенциалов по поверхности накопителя можно пренебречь. Разряд емкости при коммутации осуществляется через сопротивление коммутирующего пучка трубки R^t, V) и нагрузочное сопротивление R^.
Запишем исходное дифференциальное уравнение, относящееся к интервалу экспонирования накопителя (ключ П2 — разомкнут, переключатель П1 — в нижнем положении):
yvmo ар (ЗЛ)
Лр+/?'(СИ) dt hU щ Rp+R'(t,V')’
причем 1^(0) = Vo.
Уравнение (3.1) в общем случае носит нелинейный характер. Зарядное сопротивление
Гп„ - МО
= ” >, (3.2)
*3 V » г )
где i3(tf V) — зарядный ток, который может зависеть как от времени, так и от напряжения на емкости накопителя. Зарядный ток определяется физической моделью накопителя и пропорционален падающему на фоточувствительный слой трубки лучистому потоку.
Принимая во внимание, что сопротивление R? - Vs(t) / /р(0, где /р(0 — ток растекания, исходное нелинейное уравнение можно также представить в виде
С(Г)^^ = /3(;,Г)-;р(0. (3.3)
at
Частные решения уравнения (3.1) будут определяться функциями R'(t, V) и С(И), которые зависят от режима работы передающей трубки и типа ее накопителя. Для вторичноэлектронного (трубка суперортикон [19])и фотопроводникового (трубка видикон) накопителей емкость С( F) слабо зависит от напряжения, т. е. можно положить С( V) - С - const. Для накопителей с р — п переходами (трубки кремникон и суперкремникон) в широком интервале потенциалов следует учитывать зависимость С(И).
Зависимость сопротивления R '(f) от времени определяется изменением лучистого потока, падающего на трубку, при экспонировании накопителя, что характерно в основном для импульсного режима, но в отдельных случаях может иметь место и в режиме непрерывной экспозиции, если наблюдается быстрое изменение освещенности объекта в течение кадра (например, при двяжении объекта).
При отсутствии зависимости R'(t) от Ин и при С = const решение уравнения (3.1) имеет вид
Кн(/) = е Сй₽»
1
Г0+^Г_1_еСЙ₽» dt
с И'(/)
(3.4)
При R(t) = R = const
50
V (() = v s-<.R^R-V/<CRsR') + ГпрДр Г _ e-(Sp + 7i’)(/(MpJ?') н ° ^, + A’L
(3.5)
Выражения (3.4) и (3.5) представляют собой характеристику накопления передающей трубки, причем форма этой характеристики определяется зависимостью R(t) или R(t, V), а крутизна нарастания — параметрами накопителя и падающим световым потоком.
При работе передающей трубки в режиме импульсной экспозиции после окончания последней наступает пауза, длящаяся до момента коммутации рассматриваемого элемента накопителя. Во время этой паузы, длительность которой составляет 1П, происходит два процесса (переключатель Ш находится в верхнем положении): накопления, обусловленного инерционностью фотоэффекта или наличием темновых токов, и растекания зарядов. Оба этих процесса описываются уравнением, аналогичным уравнению (3.4):
1 'Др+Д"(<)^
Гп(г) = е’СА^
1 ' +
V(0) + ^-[—.еС/!р0 й"(,) dt
С J0R"(f)
(3.6)
причем 3^(0) = УгЦ,), где 3^,(4) — потенциал емкости в конце экспозиции. При R'(t) = то процесс накопления в паузе, согласно уравнению (3.6), будет отсутствовать, а изменение потенциала обуславливается только растеканием зарядов:
1 го >Ш=Л(0)е р.
Очевидно, что для крупных деталей изображения при условии JL -> то получим Уп(() = = 1^(0) = const
Изменение потенциала элемента накопителя передающей трубки во время коммутации можно определить на основе анализа схемы, приведенной на рис. 3.2, при замкнутом положении ключа П2.
Сопротивление коммутирующего пучка R^t, V) в общем случае оказывается зависящим как от времени, так и от потенциала коммутируемой поверхности накопителя V„, т. е. потенциала емкости С. Зависимость сопротивления от времени обусловлена неравномерным распределением электронов в пучке, а зависимость от потенциала — нелинейностью вторично-эмиссионной характеристики накопителя c(F). Если учесть, что для режима непрерывной экспозиции R '(t, V) « R а для импульсного режима при работе трубки по памяти R "(/, V) « R (t, V), где R(t, V) = R^t, V) + Ra, то уравнение коммутации принимает вид
R(t, Г)С(К) = ^^-+Кк(0 = 0, (3.7)
at
причем f^(0) = IQq, где ^.0 — потенциал емкости перед началом коммутации, для режима непрерывной экспозиции Кк0 = 1^(ГК); для импульсного режима IQO -
Сопротивление R^t, V) при коммутации накопителя так называемыми «медленными» электронами, т. е. при с < 1, равно
Rn(t,V) =-----, п
/„(/)[! -ст(К)] <3-8’
где /п(/) — ток коммутирующего пучка; a(F) — коэффициент вторичной эмиссии пленочного накопителя.
При расчете потенциальных и светосигнальных характеристик передающих трубок для упрощения расчетов можно принять распределение электронов в пучке постоянным, т. е. положить /п(/) = /п = const Вторично-эмиссионные характеристики практически всех применяемых в современных передающих трубках накопителей имеют приблизительно одинаковую форму, которую аппроксимируют линейной, кусочно-линейной, синусквадрат-ной или степенной функциями. Хорошее приближение дает функция вида (58J
51
и (И, - И)
а(Г) = 1------.....’ -----Д^тахИ ,
(3.9)
где параметры Vm, v\ и Аитах пояснены на рис. 3.3.
Уравнение (3.7) при условии C(V) = С= const и с учетом выражений (3.8) и (3.9) приводится к виду
а , 1 ^(0
^(')J dt
(3.10)
где
»п Д'ГтахП ’
Решение уравнения (3.10) относительно искомого потенциала Г^(/) можно представить только в неявном виде
in [(И-^коГ____^(0 1 = _ 2_
I ^ко [H-KK(z)i2J а'
(З.И)
Пользуясь выражением (3.11), следует для различных значений начального потенциала Ик() найти значения потенциалов в конце процесса коммутации 1^.к, длительность которого равна / = /к. После этой операции средний ток сигнала на выходе передающей трубки рассчитываем по формуле
*с = рс(0^Лк = (Рко - Рк.к)С/'к • (3.12)
0
Принимая во внимание, что потенциалы Ик) и Ик х зависят от падающего на трубку светового потока, выражение (3.12) можно рассматривать как характеристику свет—сигнал передающей трубки с накоплением энергии.
Для примера рассчитаем зависимость <с = / (^0) по формуле (3.12) при следующих условиях: = 15 В; yj = 40 В; от = 0,5; Дот = 0,5; С= 2 • 10“14 Ф; 4 = 7,7 • 10"8 с; ^ = 0,5 и 0,7 мкА. Из построенных графиков (рис. 3.4) следует, что рабочий участок характеристик ограничен и зависит от значения тока пучка. За пределами рабочего участка изображение переходит в негатив.
52
Отметим, что для получения информации о всем рабочем участке светосигнальной характеристики необходимо пользоваться полной аппроксимацией ВЭХ накопителя трубки. При использовании частичной аппроксимации (обычно только падающего участка), значительно упрощающей расчеты, можно построить лишь начальный отрезок характеристики. Этого бывает достаточно, если трубка работает при ограниченных освещенностях.
Для кремниевых накопителей зависимость накопительной емкости от приложенного к ней потенциала удовлетворительно описывается функцией вида
Гс п
= (3-13)
где Со — емкость р — «-перехода при отсутствии накопления зарядов; п — потенциал сигнальной пластины трубки.
При условии линейной аппроксимации падающего участка ВЭХ накопителя имеем
Рис. 3.4. Зависимость ic = f (Кк) при токе коммутирующего пучка = 0,5 мкА (7) и 4= 0,7 мкА (2)
(3.14)
где и % — определяются по рис. 3.3.
С учетом соотношений (3.13) и (3.14) решение уравнения коммутации (3.7) приводится
к виду
(3.15)
где
+1'
Ток сигнала на выходе трубки для кремниевых накопителей можно рассчитать по формуле
7С = —!-/кк(/)Л. (3.16)
ЛгА о
Для определения тока сигнала по формуле (3.16) интегрирование зависимости предварительно рассчитываемой согласно выражению (3.15), удобно осуществлять графическим путем.
Соотношения (3.12) и (3.16) справедливы для расчета тока сигнала трубки при отсутствии перекрытия соседних строк в пределах как одного кадра, таки одного полукадра при чересстрочном разложении. Иначе говоря, приведенный расчет будет справедлив для одной отдельно взятой строки. Реально во всех трубках с накоплением зарядов наблюдается частичное перекрытие строк, особенно в малогабаритных приборах (рис. 3.5) (J—
53
Рис. 3.5. Перекрытие строк в растре
плотность тока коммутирующего пучка; 80 — шаг разложения при построчной развертке). При чересстрочной развертке шаг разложения составляет 280. Распределение плотности тока j в сечении (апертуре) коммутирующего пучка обычно подчиняется нормальному закону. В этом случае за диаметр апертуры d принимается размер сечения, измеряемый на уровне 1/е=0,37 от максимального значения./^. Величина g5 = 280/Охарактеризует относительное смещение строк.
Явление перекрытия строк влияет на величину тока сигнала. При коммутации потенциального рельефа и-й строкой происходит частичное считывание зарядов, относящихся к и +1 -й строке. В результате сигнал во второй и всех последующих строках будет меньше, чем в первой строке. Следует отметить, однако, что при непрерывной экспозиции и достаточно больших освещенностях объекта возможна частичная компенсация считанных предыдущей строкой зарядов за счет накопления в интервале времени, равного одной строке. В режиме работы трубки по памяти такая компенсация невозможна.
Явление перекрьпия строк, которое приводит к предварительному считыванию зарядов, служит причиной того, что время накопления е передающей трубке при чересстрочном разложении практически ограничивается одним полукадром. При низких освещенностях объекта сокращение времени накопления заметно влияет на энергетическую чувствительность системы.
3.3. ВИДИКОН, КРЕМНИКОН И ПЛЮМБИКОН
Класс передающих трубок, объединенных общим названием «видикон», достаточно широк и включает в себя ряд модификаций, в числе которых помимо собственно видикона часто встречается кремникон и плюмбикон.
Видикон — это трубка, работающая на принципе внутреннего фотоэффекта (рис. 3.6). На переднюю торцевую часть цилиндрической стеклянной колбы нанесен проводящий прозрачный слой диоксида олова, называемый сигнальной пластиной. Выводом сигнальной пластины служит металличес-
54
ФК 2
ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ2 КК / „ ОК
3
5 4
. U.
Рис. 3.6. Видикон
кое кольцо, вделанное в стеклянную колбу. На внутреннюю поверхность сигнальной пластины нанесен тонкий (2 - 3 мкм) слой однородного фотопроводника. В качестве материала этого слоя служат трехсернистая сурьма (стибнит), сернистый 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 мелко
структурной выравнивающей сетки 6. Последняя находится под напряжением, в 1,5 — 2 раза превышающим 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 поверхности. Фокусировка и отклонение пучка осуществляется соответственно катушками ФКи ОК. Корректирующие траекторию пучка катушки ККслужат для компенсации погрешностей сборки электронного прожектора. Выпускаются видиконы с электростатической фокусировкой и отклонением пучка, что существенно снижает массу и габаритные размеры передающей камеры.
Рассмотрим процессы накопления и коммутации зарядов в видиконе, используя эквивалентную схему видикона, изображенную на рис. 3.7. В соответствии с этой схемой мишеньтрубки представлена в виде совокупности элементарных емкостей С, зашунтированных сопротивлениями R, значение которых зависит от падающего лучистого потока на данный участок мишени. Все емкости имеют одну общую (левую на рисунке) обкладку — сигнальную пластину. Величина емкостей определяется толщиной фото
Рис. 3.7. Эквивалентная схема мишени видикона
55
слоя его диэлектрической проницаемостью ед и площадью сечения развертывающего пучка Аэ в соответствии с формулой
с=
На сигнальную пластину через нагрузочный резистор 7^ подается положительный потенциал Vc п = 10 4- 60 В в зависимости от типа видикона и режима его работы.
При развертке изображения пучком «медленных» электронов каждая из элементарных емкостей будет заряжаться от источника ЭДС Vc п. Время заряда емкости будет равно tK— времени развертки одного элемента разложения. При достаточно большом токе пучка /п (не менее 10 мкА) емкость успеет за это время зарядиться до потенциала Vc п. Однако 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 нормальной разрешающей способности трубки. При таком условии емкости заряжаются до некоторого равновесного потенциала, намного меньшего потенциала Vc п. В интервале между двумя соседними коммутациями одного элемента, т. е. практически в течение времени одного кадра (или полукадра при чересстрочном разложении), происходит разряд емкостей через соответствующие сопротивления с постоянной времени тр - CR. Этот процесс сопровождается образованием потенциального (зарядного) рельефа положительной полярности на правой стороне мишени, так как напряжение, до которого разряжается каждая емкость, будет зависеть от сопротивления R. Для полностью затемненного элемента это сопротивление равно темновому сопротивлению фоторезис-тивного слоя Л,, а в общем случае его можно определить из выражения
5Э(1/ЯТ+</£₽)’
где а, р — постоянные коэффициенты.
На рис. 3.8 представлен график изменения потенциала элемента мишени при ограниченном токе пучка и потенциале катода, близком к нулю. Первые два кадра соответствуют процессу темнового накопления, когда
Рис. 3.8. График изменения потенциала элемента мишени при ограниченном токе коммутирующего пучка
56
коммутирующий пучок без труда считывает накопленный заряд. При освещении мишени накапливаемый потенциал резко возрастает, и пучок уже не в состоянии считать его полностью. По прошествии одного или нескольких кадров потенциал достигает верхнего равновесного значения Ун - У^, а после коммутации — нижнего равновесного значения У* к. Изменение освещенности приводит к установлению новых равновесных значений потенциалов. В установившемся режиме заряд, потерянный емкостью за время Тк, целиком восстанавливается во время последующей коммутации данного элемента мишени. При этом ток дозаряда емкости, протекающий, как видно из эквивалентной схемы, через нагрузочный резистор R*, и создает сигнал на выходе трубки.
Полезный ток сигнала видикона определяется по разности потенциалов между освещенным и затемненным элементами мишени:
4 =Т-(А^с -А^т), (3.17)
где Д!(. = Ук0 — Ук к; Д Уг — изменения потенциалов за время коммутации на освещенном и затемненном элементах.
Потенциалы в начале коммутации (т. е. в конце процесса накопления) и по ее окончании соответственно равны:
Ик0 -Кс.п[1-е“Гк/(-КсС)] + Гк ке’Гк/(АсС); (3.18)
У — У е~(к/<кпс')
*к.к ^кОс >
(3.19)
где Лс — сопротивление освещенного элемента; Ап — сопротивление коммутирующего пучка, рассчитываемое по формуле (3.14).
Совместное решение уравнений (3.18) и (3.19) позволяет определить потенциалы мишени в установившемся режиме У^ и Ук к как для освещенного, так и затемненного элементов, причем в последнем случае следует вместо сопротивления R с подставлять темновое сопротивление R т. Тогда ток сигнала согласно формуле (3.17) равен
СУ егс.п
J _ е-Гк/(Я:С)е-<К/(ЛаС)
Х(1_е-'*/<АпС)). <3-20)
Как видно из формулы (3.20), на величину сигнала существенное значение оказывает потенциал сигнальной пластины Ус п. До определенных пределов увеличение потенциала Ус п приводит к увеличению сигнала. Однако, начиная с некоторого значения, увеличение потенциала сопровождается резким уменьшением темнового сопротивления Ат, т. е. возрастанием темнового тока /т. При этом в формуле (3.20) увеличивается второе слагаемое в квадратных скобках, что приводит к уменьшению тока сигнала. Таким образом, для каждого типа видикона существует оптимальное
57
Рис. 3.9. Зависимость тока сигнала видикона от напряжения на сигнальной плстине
Рис. 3.10. Характристики свет—сигнал видикона ЛИ459 при напряжениях на сигнальной пластине: 30 В (/); 20 В (2); 10 В (3)
значение потенциала сигнальной пластины Ус п (рис. 3.9), которое обычно содержится в паспортных данных.
Как правило, видиконы обладают относительно небольшим диапазоном передаваемых яркостей. Динамический диапазон можно расширить за счет снижения потенциала Vc п, однако при этом уменьшается крутизна характеристики свет—сигнал, что приводит к уменьшению световой чувствительности трубки. Это наглядно иллюстрируется светосигнальными характеристиками видикона ЛИ459 (рис. 3.10).
Существенным недостатком видикона является его инерционность. Полная инерционность трубки сложным образом складывается из коммутационной и фотоэлектрической составляющих. Коммутационная инерционность проявляется в неполном дозаряде мишени за время ?к, если освещенность элемента и, как следствие, глубина потенциального рельефа оказались большими. При этом мишень необходимо прокоммутиро-вать несколько раз, чтобы привести ее потенциал к верхнему равновесному состоянию (см. рис. 3.8). Если такой возможности нет, что характерно при передаче изображений движущихся объектов, то получается суммирование остаточного изображения с передаваемым в текущем кадре. Аналогично проявляется и фотоэлектрическая составляющая, хотя природа ее связана с необходимым временем установления сопротивления R при резком изменении освещенности. Полная инерционность видикона обычно оценивается величиной остаточного сигнала? получаемого при первой /с1, второй zc2 и последующих коммутациях после скачкообразного прекращения освещенности трубки относительно сигнала, образующегося при постоянной освещенности <с0 (рис. 3.11).
Полярность сигнала, генерируемого видиконом, отрицательная, так как увеличение освещенности мишени сопровождается увеличением тока через нагрузочный резистор (см. рис. 3.6) и соответствующим понижением снимаемого с него напряжения сигнала.
58
Промышленностью выпускается большое количество видиконов, различающихся между собой размерами колбы, материалом мишени, а также системой фокусировки и отклонения коммутирующего пучка. По диаметру колб видиконы делятся на 13, 5-, 18-, 26- и 40-миллиметровые, причем наиболее распространенной является 26-миллиметровая трубка. Диаметр колбы, определяющий площадь мишени, существенно влияет на ЧКХ трубки (рис. 3.12). Объясняется это
тем, что с увеличением разме- Рис 3 и График> янер.
ров МИШенИ МенЬШее влияние ционность видикона
оказывает междустрочное пере-
крытие и поэтому 40-миллиметровый видикон обладает наилучшей ЧКХ.
Более хорошими частотными свойствами обладают видиконы с магнитной фокусировкой и так называемым дефлектронным отклонением коммутирующего луча. Электростатическая отклоняющая, система типа «дефлектрон» состоит из электродов сложной формы, наносимых фотоспособом непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянной колбы видикона. ЧКХ 18-миллиметрового видикона с дефлектронным отклонением приблизительно соответствует ЧКХ 26-миллиметровой трубки.
При необходимости ЧКХ видиконов можно аппроксимировать функцией
Рис. 3.12. Частотно-контрастные (апертурные) характеристики видикона с различными диаметрами колбы: 2—40 мм; 2—26 мм; 5—18 мм; 4 — 13,5 мм
59
К(т) = , (3.21)
где те — число телевизионных линий, на котором ЧКХ спадает до значения 1/е = 0,37.
Параметры и характеристики некоторых типов видиконов приведены в Приложении 1.
Рис. 3.13. Мишень кремникона
КРЕМНИКОН
Среди разновидностей видикона получила распространение трубка с кремнистой мишенью, называемая кремниконом. Мишень кремникона выполнена на базе кремниевой пластины 1 с проводимостью и-типа (рис. 3.13), причем на одной стороне пластины сформирована методом планарной технологии диодная матрица 2. Матрица покрыта слоем диэлектрика 3 из диоксида кремния. Над диодами слой диэлектрика удален. Вся правая поверхность мишени покрыта высокоомной пленкой 4. На левой поверхности методом диффузии образован слой 5из кремния к+-типа. Этот слой выполняет функцию сигнальной пластины, на которую подается положительный потенциал Vc п = 5 т- Ю В. Коммутация осуществляется пучком «медленных» электронов. В процессе коммутации элементарные емкости, образованные обратно смещенными диодами и сигнальной пластиной, заряжаются. Световой поток возбуждает неосновные носители тока, которые разряжают емкости, диффундируя к областям пространственного заряда 6 (обедненная область). Таким образом, процесс образования потенциального рельефа в кремниконе такой же, как и в обычном видиконе. Стандартный кремникон содержит на 1 см2 поверхности мишени примерно 4 • 10s диодов, что обеспечивает разрешающую способность трубки около 600 телевизионных линий. Существенным достоинством кремникона является его относительно низкая инерционность (в основном
за счет малой фотоэлектрической составляющей). Спектральная чувствительность трубки лежит в пределах от 0,4 до 1,1 мкм.
Для расчета тока сигнала кремникона от освещенного элемента воспользуемся уравнением (3.3), которое без учета растекания зарядов принимает вид
С (И) d V„ (О / dt = SjGS3 Е, {i.Tl)
где s, — интегральная чувствительность трубки, мкА/лм; G— коэффициент усиления мишени, равный для кремникона единице; 5, — площадь элемента; Е— его освещенность.
Очевидно, что правая часть уравнения (3.22) представляет собой значение зарядного тока, протекающего через емкость р — л-перехода. Решение этого уравнения с учетом зависимости (3.13) приводится к виду
60
ги (О = п - (Кс. п - Кк. к )1/2 - 3,G5S Е t / (2C0kV2 )
2
(3.23)
Приравняв в формуле (3.23) t = Tv получаем ^,(7^) = Ко — потенциал перед началом коммутации. После подстановки этого значения в уравнение (3.15) и приравняв в нем /= t*, можно определить потенциал в конце коммутации Ик к и затеи> подставив его в свою очередь в выражение (3.23), уточнить начальный потенциал Ко- После этого на основании формул (3.15) и (3.16) можно рассчитать искомое значение тока сигнала Процедуру расчета можно упростить, воспользовавшись приближенным соотношением
'ев=(Ко+К.к)ЛЧ)>
вытекающим из линейной аппроксимации зависимости К(0, что Дает ошибку примерно в 10—20 % в сторону завышения результата.
Для определения тока сигнала :т от неосвещенного элемента (темнового тока) можно воспользоваться выражениями:
Кк0 = vc nfl-e-W’1; VK к = ’/к0е''к/(7!пС> ,
в которых в связи с небольшими изменениями потенциалов емкость элемента можно считать примерно постоянной и равной С » Со. Результирующий ток сигнала кремникона равен 'с = 'и - «Г-
ПЛЮМБИКОН
Для передающих камер цветного телевидения трубки с фоторезистив-ными мишениями (обычные видиконы) оказались малопригодными из-за большой инерционности, значительной нелинейности светосигнальных характеристик и больших значений темновых токов. Усилия по устранению этих недостатков привели к появлению полупроводниковой трубки, получившей название плюмбикона (название отражает светочувствительный материал мишени, в основе которого лежит оксид свинца) [54].
В плюмбиконе применена мишень фотодиодного типа cp-i-n- электронно-дырочным переходом, включенным в обратном направлении. Плюмбикон обладает малой фотоэлектрической и коммутационной инерционностями. Первая оказывается низкой из-за сильного электрического поля, способствующего переносу тока почти без рекомбинации. Коммутационную составляющую удалось снизить благодаря уменьшению накопительной емкости мишени за счет увеличения ее толщины. При этом для сохранения постоянной времени разряда в нужных пределах и величины тока сигнала пришлось увеличить собственное сопротивление мишени.
Мишень плюмбикона имеет трехслойную структуру (рис. 3.14). На переднее стекло колбы 1 нанесена так же, как и у обычного видикона, полупрозрачная сигнальная пластина 2, к которой подсоединяется нагрузочный резистор Ri:. На сигнальную пластину нанесен тонкий прозрачный слой полупроводника 3 с электропроводностью /1-типа, представляющий собой первый слой мишени. Вслед за ним — монокристаллический светочувствительный слой оксида свинца 4 (-типа. Третий (замыкающий) слой
61
5 образуется полупроводником с электропроводностью p-типа. Общая толщина мишени достигает 12-20 мкм. Слой I выполняется из оксида свинца, имеющего упорядоченную кристаллическую структуру пластинчатой формы размерами 0,1 х 3 х 0,05 мкм, причем пластинки ориентированы параллельно падающим световым лучам. Высокая напряженность поля в слое i позволяет без увеличения инерционности фотоэффекта повысить
толщину мишени и тем самым снизить накопительную емкость.
Коммутация потенциального рельефа осуществляется пучком «медленных» электронов, приводящих мишень к потенциалу, близкому потенциалу катода. Во время коммутациир~/—и-переход смещается в обратном направлении, что способствует увеличению темнового сопротивления мишени. Для предотвращения ореолов, связанных с повышенным диффузным рассеянием света, на входное окно колбы приклеивается противооре-ольный диск 6толщиной 6-7 мм.
Характеристика свет -сигнал плюмбикона близка к линейной, причем показатель у = 0,95 ± 0,05 имеет высокую стабильность у различных экземпляров трубок, что существенно для трехтрубочных камер цветного телевидения. Высокую линейность характеристики можно объяснить тем, что благодаря высокой напряженности электрического поля в толще мишени зарядный ток оказывается близким к постоянному току насыщения, слабо
Рис. 3.15. Светосигнальная характеристика плюмбикона
зависящему от потенциала сигнальной пластины. Однако высокая линейность светосигнальной характеристики приводит к тому, что при больших засветках отдельных участков передаваемого изображения полная коммутация глубокого потенциального рельефа оказывается затруднительной. Это способствует росту коммутационной составляющей инер
62
ционности трубки, которая при движении объекта создает тянущийся след («хвост кометы»). Для ликвидации этого явления в трубках используют так называемый антикометный прожектор, на управляющий электрод которого во время обратного хода по строкам подается положительный импульс напряжения, равный 25 - 50 В. Благодаря этому пересвеченные участки мишени считываются увеличенным до 100 - 150 мкА током пучка, что обеспечивает полную коммутацию мишени.
Характеристика свет-сигнал плюмбикона с антикометным прожектором имеет характерный излом (рис. 3.15). Спектральная характеристика простирается от 400 до 720 мкм и ограничивается интерференционным светофильтром, нанесенным на противоореольный диск. Темновой ток мишени составляет 0,5 — 3 нА. Остаточный сигнал во втором кадре не превышает 8 %.
3.4. СУПЕРВИДИКОНЫ
Применение телевидения в прикладных целях часто связано с необходимостью иметь высокую энергетическую чувствительность системы, которую не могут обеспечить трубки типа видикон. Разработка высокочувствительных трубок базируется на двух основных принципах: на увеличении глубины зарядного рельефа от слабо освещенных (слабо светящихся) объектов и на использовании дополнительного усиления сигнала с помощью встроенного в трубку вторично-электронного умножителя (ВЭУ). Трубки, в которых реализуется первый способ, получили общее название трубок с докоммутационным усилением; второй способ реализован в трубках с послекоммутационным усилением. Существуют трубки, в которых используются оба метода повышения чувствительности (например, супер-ортиконы).
Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что основным источником шума в трубках с накоплением зарядов является коммутирующий луч, шум которого рассчитывается по формуле Шоттки. Отсюда следует, что при слабой модуляции луча, получающейся в случае передачи слабо освещенных или малоконтрастных объектов, получить достаточно высокое отношение сигнал/шум на выходе трубки за счет послекоммутационного усиления нельзя, поскольку сигнал и шум усиливаются ВЭУ в одинаковой степени. В связи с этим разработка высокочувствительных передающих трубок для прикладного телевидения ведется в настоящее время по пути использования докоммутационного усиления, для чего в трубку дополнительно вводят секцию переноса электронного изображения с фотокатода на мишень. К таким трубкам относятся супервидиконы, в которых применяется, как правило, электростатическая секция переноса изображения с ускоряющим электродом и высокоэффективный многощелочной фотокатод. Секция коммутации у этих трубок аналогична обычному видикону.
В зависимости от материала мишени сулерввдиконы подразделяются на два вида: суперкремникон (супервидакон с кремниевой мишенью) и секон (мишень из пористого диэлектрика).
63
СУПЕРКРЕМНИКОН
Суперкремникон — передающая трубка, имеющая многощелочной фотокатод 2 (рис. 3.16), секцию переноса изображения 5и кремниевую диодную мишень 1. Эмиттируемые фотокатодом фотоэлектроны 4 ускоряются в секции переноса изображения напряжением 5 — 10 кВ и фокусируются на кремниевой мишени. Устройство мишени примерно такое же, как у кремникона. Сигнальная пластина выполнена из и+-кремния, на нее подается потенциал 8 - 10 В. Фотоэлектроны бомбардируют мишень, в которой возникают пары электрон-дырка. Дырки диффундируют кр-и-пере-ходам и попадают в обедненную область, вследствие чего емкости диодов частично разряжаются. Плоско-вогнутая волоконно-оптическая планшайба 3 выполняет роль корректора электронно-оптических аберраций в секции переноса. Необходимость в таком устройстве вызвана тем, что фотокатод при электростатической фокусировке должен иметь сферическую форму, а объективы строят плоское оптическое изображение.
Ток сигнала суперкремникона рассчитывают по методике, изложенной ранее для кремникона, с той лишь разницей, что коэффициент усиления мишени G > 1. При напряжении ускоряющего электрода в секции переноса, равном UycK = 4 кВ, G= 200, при UyCK = 9 кВ, G= 2600.
Шумы видикона вычисляют по формуле /щ = 2еД f ia, где А/ — полоса частот видеосигнала; ;п — ток пучка; е - заряд электрона. Для стандартного режима /ш = (If 2) нА. Шумы суперкремникона зависят от значения ускоряющего напряжения и при (7уск < 4 кВ не отличаются от шумов видикона. С увеличением напряжения J7yCK шумы увеличиваются за счет шумов секции переноса и становятся зависимыми от освещенности [38].
СЕКОН
В системах специального назначения (например, в астрономии) получила распространение трубка, называемая секоном (рис. 3.17). Изображение объекта проецируется на сферический фотокатод 2, нанесенный на внутреннюю поверхность волоконно-оптической планшайбы 1. Фотоэлектроны фокусируются на мишени 3, которая представляет собой тонкую алюминиевую сигнальную пластину толщиной около 0,05 мкм с нанесенным слоем пористого диэлектрика КС1 толщиной 10 — 20 мкм. Об-
2 1
Рис. 3.16. Суперкремникон
64
разование потенциального рельефа на мишени происходит на основе эффекта вторично-электронной проводимости, а также работы мишени «на прострел».
При подаче на сигнальную пластину положительного потенциала 10—20 В и коммутации мишени пучком «медленных» электронов поперек по
Рис. 3.17. Секон
ристого слоя пленки мишени устанавливается сильное внутреннее электрическое поле с напряженностью до 104 В/см. Фотоэлектроны, обладающие большой энергией, проходят сигнальную пластину и поглощаются
слоем пористого диэлектрика, вызывая интенсивную вторичную эмиссию электронов. Часть вторичных электронов под действием внутреннего поля через поры в диэлектрике проходит на сигнальную пластину, заряжая положительно поверхность мишени со стороны секции считывания. В этом выражается эффект вторично-электронной проводимости. Другая часть электронов, обладающая большими энергиями, чем первая, вылетает из пористого слоя и собирается на защитной сетке 4, на которую подается положительный потенциал 15 - 25 В. Защитная сетка, таким образом, играет роль коллектора. Этот процесс, который можно назвать работой мишени «на прострел», также приводит к появлению положительных зарядов на мишени.
Оба рассмотренных процесса позволяют создать на мишени глубокий потенциальный рельеф величиной до 15 В, который коммутируется обычным путем. Нагрузочный резистор включается в цепь сигнальной пластины. Поскольку число вторичных электронов, образующих потенциальный рельеф, оказывается много больше первичных фотоэлектронов, можно говорить о том, что мишень секона обладает свойством докоммутацион-ного усиления, достигающего 100 крат. Световая чувствительность трубки — 5-1 О"3 лк при токе сигнала 0,1 мкА. Динамический диапазон передаваемых яркостей секона значительно шире, чем у видикона, и составляет около 100 :1. Этот диапазон может быть дополнительно расширен в сторону больших яркостей, но за счет уменьшения коэффициента усиления мишени путем снижения ускоряющего напряжения в секции переноса.
Достоинством секона является его относительно низкая инерционность, которая увеличивается лишь при увеличении потенциала сигнальной пластины свыше 30 В. Малым является также значение темнового тока (около 1 нА). Важной особенностью секона следует признать его способность длительное время сохранять накопленный на мишени потенциальный рельеф при запертом коммутирующем пучке. Поэтому секон можно использовать для запоминания оптической информации. Трубка может работать при разных стандартах разложения.
Недостатком секона является наличие у него защитной сетки, которая снижает разрешающую способность и отношение сигнал/шум. В модификации секона, названной проксиконом, эти параметры улучшены. В проксиконе в секции переноса используется близкая фокусировка, при которой однородное электрическое поле создается между плоским фотокато-
5,
Зак. Зз2
65
дом и мишенью, расположенными на расстоянии 1,5 мм друг от друга. В качестве материала мишени вместо КС1 применяется MgF2 и Ag пористой структуры, что повышает коэффициент вторичной эмиссии мишени и позволяет при той же чувствительности обойтись без защитной сетки. Отношение сигнал/шум при этом увеличивается примерно в три раза.
3.5. ПИРОВИДИКОН
Одним из важных направлений развития оптико-электронного приборостроения является тепловидение. Создание тепловизионных систем требует применения фотопреобразователей со спектральной чувствительностью в области 8-12 мкм, где сосредоточена большая часть тепловой энергии, и разрешением температурных перепадов менее 0,1 °C. Этим требованиям отвечает один из видов телевизионных преобразователей — пировидиконы. Большим эксплуатационным преимуществом их является то, что они не требуют принудительного охлаждения. Разработки пировидиконов ведутся с 1965 г., причем особенно эффективно — после создания высокоэффективного пироэлектрика под названием триглицинсульфат (ТГЦ) [37].
От обычного видикона пировидикон отличается конструкцией узла мишени (рис. 3.18). Тепловое излучение попадает 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 сигнальную пластину 4.
Принцип работы пироэлектрической мишени основан на особом свой-
стве некоторых сегнетоэлектриков — изменять поляризацию молекул при нагреве. В результате этого эффекта под воздействием теплового излучения на мишени формируется температурный рельеф, который наводит электростатические заряды на ее поверхности. Результирующий потенциальный рельеф считывается коммутирующим пучком «медленных» электронов. При этом в цепи сигнальной пластины протекает емкостной ток сигна-
ла, как это имеет место в обычном видиконе. Пировидикон имеет две принципиальные особенности, которые отличают его от обычных видиконов.
1. Материал мишени пировидикона чувствителен лишь к изменению
температуры, поэтому тепловое изображение, проецируемое с помощью
Рис. 3.18. Входное окно и мишень
пировидикона
специального объектива на мишень, должно быть переменным. С этой целью перед мишенью устанавливают механический прерыватель лучистого потока (вибрирующий затвор, обтюратор) либо производят панарамирование камеры.
2. В процессе сканирования мишени на ней остается рельеф свободных зарядов, осевших из пучка. Это обусловлено тем, что накапливаемый на мишени положительный рельеф состо-
ит из связанных, а не свободных заря-
66
дов. Свободные заряды пучка не суммируются со связанными зарядами, а только доводят заряд каждого элемента мишени до единого уровня, близкого к потенциалу термокатода. Поскольку сегнетоэлектрик является высокоомным диэлектриком, заряженная при сканировании мишень не имеет возможности разрядиться за время последующего кадра. Во избежании накапливания зарядов на мишени от кадра к кадру необходима принудительная разрядка мишени либо током положительных ионов, либо с помощью вторичных электронов. Иначе говоря, для нормальной работы мишени отрицательные заряды, приносимые коммутирующим пучком при считывании потенциального рельефа, необходимо периодически нейтрализо-вывать положительными зарядами.
Перечисленные особенности работы трубки предопределяют необходимость подготовки мишени перед каждым циклом накопления. В период подготовки требуется нейтрализовать оставленные пучком заряды и, кроме того, повысить потенциал мишени до уровня 1 - 2 В, который называют опорным уровнем, или потенциалом пьедестала. Этот уровень необходим для того, чтобы при любых периодических изменениях температуры потенциал мишени оставался положительным, поскольку при охлаждении мишени он может принимать и отрицательное значение, и, следовательно, может быть считан коммутирующим пучком.
Опорный уровень можно сформировать несколькими путями. В частности, во время обратного хода разверток переводят коммутирующий пучок в режим «быстрых» электронов. При этом коэффициент вторичной эмиссии мишени становится больше единицы, и потенциал мишени 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 биполярным относительно опорного уровня, а это приводит к мерцанию телевизионного изображения. Для предотвращения мерцания в передающей камере применяют специальную обработку сигнала с помощью так называемого процессора кадров. В процессоре запоминаются и сравниваются чередующиеся полукадры, в результате чего составляющая видеосигнала удваивается, а также понижается и сглаживается уровень пьедестала. Далее чередующиеся полукадры инвертируются и формируется сигнал одной полярности, который при помощи схем стабилизации приводится к стандартному уровню черного.
Характеристики пировидиконов существенно зависят от свойств оптической системы, скорости обтюрирования и других показателей. Спектральный диапазон чувствительности трубки целиком определяется прозрачностью германиевого окна. Разрешающая способность типовых трубок колеблется в среднем от 150 до 300 телевизионных линий, энергетическая чувствительность — от 3 до 6 мкА/Вт, температурная чувствительность составляет 0,15 — 0,4 К на объекте [9].
3.6. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Успехи современной микроэлектроники позволили разработать безва-куумные фотоэлектрические преобразователи — аналоги телевизионных передающих трубок. Первые такие приборы появились в 1960-х годах
67
Рис. 3.19. Эквивалентная схема матричного твердотельного фотопреобразователя без накопления зарядов
и создавались сначала на основе тонкопленочной, а затем и твердотельной технологии. Были разработаны образцы безвакуумных фотопреобразователей в виде линеек и плоских матриц без накопления и с накоплением зарядов.
Матричный фотопреобразователь без накопления зарядов включает два полупрозрачных электрода, состоящих 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 выпол-няютфункции адресных шин (рис. 3.19). Переход от одного из токопроводящих электродов (обычно строчного) к фотослою осуществляется через блокирущие диоды, расположенные в местах пересечения полосок. К горизонтальным и вертикальным шинам подаются от специальных сдвигающих регистров строчные и кадровые коммутирующие импульсы, при совпадении которых соответствующие блокирующие диоды открываются и через нагрузочный резистор протекает ток сигнала.
Длительность кадровых импульсов, подаваемых на горизонтальные шины, равна длительности строки, а длительность строчных — времени передачи одного элемента разложения; Блок разделительных полевых транзисторов служит для поочередного подключения к нагрузочному резистору горизонтальных адресных шин. При этом выходная емкость матрицы уменьшается и равняется емкости только одной полоски.
В настоящее время среди разработок твердотельных фотопреобразователей с накоплением зарядов основное место заняли приборы с зарядовой связью (ПЗС), изобретенные В. Бойлом и Г. Смитом в 1970 г. ПЗС выпускаются двух типов: линейные (однострочные) и матричные. Применение тех и других в телевизионных системах зависит от их назначения.
ПЗС представляет собой регулярную МДП- или МОП-структуру, состоящую из отдельных близко расположенных ячеек. Каждая ячейка образует накопительный конденсатор, одной из обкладок которого служит металлическая пленка, а второй обкладкой является подложка из полупроводника с р- или «-типом проводимости. В качестве подложки используется кремний. Между подложкой и металлическим электродом наносится диэлектрик — диоксид кремния. Толщина пленки диэлектрика равна примерно 0,1 мкм.
Работа ПЗС основана на двух принципах: накоплении и хранении зарядов в потенциальных ямах и переносе этих зарядов в выходное устрой
68
ство с образованием видеосигнала. Потенциальная яма — это обедненная для основных носителей область в полупроводниковой подложке под металлическим электродом, которая образуется при подаче на него напряжения соответствующей полярности. Для кремния дырочного типа напряжение должно быть положительного, а электронного типа — отрицательного знака. Заполнение потенциальных ям неосновными носителями зарядов происходит под воздействием лучистого потока, падающего на кремниевую подложку, причем заряды оказываются в широких пределах пропорциональными лучистому потоку. Помимо рассмотренного полезного процесса накопления в потенциальные ямы будут попадать также неосновные носители, образующиеся в результате термогенерации. Эти носители создают паразитный фоновый заряд. Время хранения зарядов в потенциальных ямах определяется временем подачи напряжения на металлический электрод.
Процесс переноса зарядов иллюстрируется на примере ПЗС трехфазного типа, каждый элемент которого образован тремя независимыми электродами [44]. Все одноименные электроды объединены шинами, на которые подается трехфазное импульсное напряжение (рис. 3.20, д). Три электрода в каждом элементе необходимы для того, чтобы осуществить направленный перенос зарядов. Предположим, что в начальный момент t=t0 высокий потенциал подан на 2-ю фазу, а на 1-й и 3-й фазах потенциал низкий (рис. 3.20, а). После накопления зарядов под электродами 2-й фазы высокий потенциал с нее снимается и подается на 3-ю фазу. При этом под электродами 3-й фазы образуются потенциальные ямы, в которые начнут перемещаться накопленные ранее заряды (рис. 3.20, б, в). Под электроды 1-й фазы заряды попадать не будут, так как под ними по-прежнему остается низкий потенциал. Вслед за этим высокий потенциал подается на электроды 1-й фазы, и заряды перемещаются так, как показано на рис. 3.20, г. Таким образом, изменяя уровни потенциалов на электродах, можно последовательно, шаг за шагом, осуществлять направленное перемещение зарядов в линейке или матрице ПЗС. Направленность переноса зарядов в последнем случае дополнительно обеспечивается так называемыми стоп-каналами, которые не дают растекаться зарядам в стороны, т. е. в поперечном направлении. Стоп-каналы представляют собой высоколегированные области кремния, в которых не образуются потенциальные ямы.
Вывод зарядов из матрицы и преобразование их в видеосигнал осуществляется с помощью емкости обратносмещенного д—и-перехода или емкости МОП-структуры. Если эту емкость обозначить Свык, то напряжение видеосигнала будет равно Uc = ?/Свых, где q — зарядовый пакет, выводимый из ПЗС.
Рассмотрим теперь работу матричного ПЗС с параллельно-кадровой структурой, или кадровым переносом. Прибор состоит из трех секций: накопления 1, хранения 12 и выходного регистра /0(рис. 3.21). Секция хранения и выходной регистр защищены от светового воздействия. Электроды 2, располагающиеся в соседних столбцах, разделены между собой стоп-каналами 3. На каждую строку посредством шин 4 подаются импульсные напряжения от сдвиговых регистров 5и 6, выполняющих роль генераторов разверток. Выходной регистр питается от генератора 11. Оконечным устройством матрицы служит МОП-транзистор с затвором 9 и стоком 8, выход которого соединен с усилителем 7.
69
Рис. 3.20. Процесс накопления и переноса зарядов в ПЗС
Накопление зарядов происходит в секции 1 попеременно в течение нечетного и четного полей. При этом заряды накапливаются под теми электродами, на которые подан в данный отрезок времени высокий потенциал. В четные и нечетные полукадры высокий потенциал подается на разные электроды, например на второй и на первый. Во время обратного хода после каждого полукадра заряды выводятся в секцию хранения. Секция накопления затем воспринимает новый объем информации, а из секции хранения переведен-
70
10
Рис. 3.21. Передающая камера на ПЗС (параллельно-кадровая структура)
ные ранее заряды выводятся построчно в выходной регистр. Вывод осуществляется во время обратного хода по строкам. Из выходного регистра за интервал времени, равный прямому ходу одной строки, заряды поэлементно выводятся на МОП-транзистор и далее поступают в виде сигнала на усилитель.
По рассмотренной схеме построена, например, отечественная матрица ФПЗС-2М, содержащая 288 х 256 элементов, каждый размерами 30 х 23 мкм, причем, как секция накопления, так и секция хранения, содержат по вертикали 144 элемента. Выходной регистр включает в себя 264 элемента. Площадь, на которую проецируется изображение, равна 5,9 х 4,3 мм. Аналогичную структуру имеет также матрица ФПЗС-1М, содержащая 576 х 512 элемента, с размерами фоточувствительной поверхности 9,2 х 6,9 мм и рассчитанная на полный телевизионный стандарт.
В последнее время размеры фоточувствительной поверхности матрицы принято характеризовать так называемым оптическим форматом, выра
71
жаемым в дюймах. При этом указанные размеры примерно соответствуют размерам мишени аналогичных видиконов. Так однодюймовая матрица имеет ориентировочные размеры секции накопления 9,2 х 12,7 мм, полудюймовая — 4,9 х 6,6 мм, 2/3-дюймовая — 6,6 х 8,8 мм; 1/3-дюймовая — 3,6 х 4,8 мм.
Матрицы с кадровым переносом, получившие распространение в отечественной промышленности, являются наиболее простыми по конструкции и технологии изготовления, позволяют освещать секции накопления со стороны подложки и обладают низкой инерционостью. Однако им присущ ряд существенных недостатков. Прежде всего к ним следует отнести вертикальный смаз изображения, являющийся следствием генерации носителей под действием света во время обратного хода кадровой разветки, т. е. при переносе зарядов в секцию храенения. Этот смаз особенно заметен при передаче ярких деталей изображения и полностью может быть ликвидирован только механическим перекрытием светового потока. Другим недостатком является неравномерное расположение строк в растре, поскольку третий электрод каждого элемента матрицы оказывается незадей-ствованным при формировании зарядного рельефа.
В матрицах со строчным переносом секции накопления и хранения совмещены таким образом, что вертикальные столбцы одной и другой секций чередуются между собой (рис. 3.22). Для накопления зарядов используются емкости обратносмещенных фотодиодов, количество которых в столбце равно числу строк разложения. Накопленные заряды в нечетных и четных строках попеременно переносятся за время обратного хода кадровой развертки в близлежащие потенциальные ямы секции хранения и затем выводятся в выходной регистр. В некоторых матрицах существует режим управления, при котором заряды соседних фотодиодов, задействованных в одном полукадре (ФД1 и ФДЗ, ФД2 и ФД4 и т. д.), могут быть
Рис. 3.22. Структрура матрицы со строчным переносом: I, 2— столбцы секций накопления и хранения соответственно; 3 — выходное устройство; 4 — выходной регистр
72
объединены, что увеличивает световую чувствительность матрицы, снижая, однако, ее поперечную разрешающую способность.
В матрицах со строчным переносом центры строк всегда располагаются на равном расстоянии, а смаз изображения оказывается намного меньшим, чем в матрицах с кадровым переносом. Недостатком является неполное использование светового потока, поскольку часть его приходится на секцию хранения. Для снижения этого недостатка используется технология нанесения на поверхность кристалла микролинз, концентрирующих световой поток только на фотодиодах.
Обратимся теперь кхарактеристикам ПЗС. Спектральнаяхарактеристи-ка прибора составляет от 0,4 до 1,1 мкм, динамический диапазон, ограничиваемый насыщением потенциальной ямы, — 1000 : 1. Характеристику накопления и характеристику свет—сигнал можно определить из уравнения (3.3). Для рассматриваемого случая и без учета растекания зарядов это уравнение может быть представлено в виде [21 ]
CdV„/dt = i3tf), (3.24)
где С — емкость светочувствительного электрода матрицы.
Для распространенных параметров ПЗС зарядный ток равен
i3(t) = eN0(t)GSs, (3.25)
где е = 1,6 • 10-19 Кл — заряд электрона; N0(f) — количество квантов с длинами волн в пределах спектральной чувствительности ПЗС, упавших на единицу фоточувствительной площади за одну секунду; G — квантовый выход, э/квант; 5Э — площадь электрода.
Решение уравнения (3.24) с учетом формулы (3.25) при условии К(0) = 0 имеет вид
(3.26) о
Выражение (3.26) представляет собой характеристику накопления ПЗС, отсчитываемую от уровня незаряженных элементов. При t = Тк и равенстве накопленного и считанного зарядов из этого выражения получаем характеристику свет -сигнал:
'“'ВЫХ '“'ВЫХ Q
где Свых— выходная емкость ПЗС (суммарная емкость плавающей диффузионной области и затвора полевого транзистора).
В случае N0(t) = No = const и с учетом потерь зарядов при переносе
t/^ce^^l-B)"/^, (3.27)
где е — неэффективность одного переноса; п — число переносов зарядового пакета.
Из формулы (3.27) следует, что характеристика свет—сигнал ПЗС вплоть до насыщения потенциальной ямы строго линейна.
73
Полагая квантовый выход 0 приблизительно постоянным в пределах спектральной чувствительности ПЗС от до Xmin, формулу (3.27) можно представить в виде
^тах еТк0(1-е)" |ф^ХЛХ
^вых^^О J О где Фе — энергетический поток излучения, Вт; Ф\ — относительная спектральная плотность потока излучения; h — постоянная Планка, h = 6,62 • 10~34 Вт • с2; Со — скорость света. Та же формула в световой системе единиц имеет вид
еТк05Атах(1-е)в Гф,*Х*^ и = Е-------------------bate-----
с оо ’
{-’вых 680 h Со J Ф^ ® о
где Е — освещенность элемента матрицы; — кривая видности глаза. t С учетом того, что Хтах =1,1 мкм и = 0,4 мкм, и приняв функцию Ф х для источника типа «А», после вычисления интегралов графическим методом получим
i^-io-^e^a-s)"
Uc = £,-------------
С '''ВЫХ
(3.28)
На рис. 3.23 представлена светосигнальная характеристика ПЗС, ограниченная темновой составляющей напряжения Uc т и точкой насыщения Uc н, Ен.
Оценим величину выходного сигнала ПЗС п© формуле (3.28), для чего примем: 5Э = 4 • Ю-10 м2; Тк = 20 мс; = 0,2 пФ; е = 2 • 10-4; п -1100; 0 = 0,25. Тогда при освещенности Е
= 1,0 лк получим Uc = 100 мВ.
Собственные шумы ПЗС складываются из нескольких составляющих: шумов, связанных с процессом формирования оптического изображения, — фотонных шумов, шумов темнового тока и шумов переноса. Помимо этих составляющих следует учитывать шумы встроенного в камеру предварительного усилителя, включающие в себя шумы входной цепи и входного транзистора [39, 60].
Уровень шумов ПЗС принято оценивать
Рис. 3.23. Светосигнальная характеристика ПЗС
среднеквадратическим числом шумовых электронов N, представляющим собой
74
среднеквадратическое 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 среднеквадратическое значение числа фотоэлектронов NK, накопленных на элементе за полное время накопления, т. е. за время кадра или полукадра. Тогда в расчете на один зарядовый пакет
^фаг = = ^N0QTkS9 = 2,83-108 . (3.29)
Темновой ток, являющийся результатом термической генерации носителей заряда, заполняющих обедненную область, сопровождается дополнительными дробовыми шумами, уровень которых в расчете на зарядовый пакет можно определить по формуле
(3.30)
где — темновой ток; f0 — тактовая частота.
Источниками шумов переноса являются флуктуации зарядов, захватываемых ловушками. Можно показать, что уровень шумов переноса определяется как [39]
Nn = ЗоТк, (3.31)
где п — число трехфазных переносов.
Очевидно, что число шумовых электронов Д, будет максимальным для пакетов, наиболее удаленных от выходного регистра.
Тепловой шум входной цепи предварительного усилителя зависит от ее емкости, являющейся одновременно выходной емкостью ПЗС Свых. Тогда
(з.з2)
где к0 — постоянная Больцмана, к0 = 1,38 • 10~2 Дж/°; Т— абсолютная температура.
Шумовое напряжение, учитывающее перечисленные явления, определим на основании формул (3.29) — (3.32)
Пм = +7VT2 +7V2 +^2Ц /Свых.
Шумы входного каскада усилителя, выполненного на МОП-транзис-торе, складываются из тепловых шумов канала и поверхностного шума, спектральная плотность которых
G(/) = 4fc0ZRU](14-r//),
где А‘ш — шумовое сопротивление транзистора; f = 104 -ь 10s Гц. Соответствующее шумовое напряжение
_ /в
= J G(f)df=4&077?ш[/в +/'1п (А//н)].
/н
75
Суммарное значение шума матрицы и усилителя
иш=у1й^+й^.
Произведем расчет шумов ПЗС при следующих параметрах: NH = 105 электронов (для данных предыдущего примера); -4 = 4 нА; fK = 50 Гц; /в = 5 МГц; /0 = 6,1 МГц; f =_0,1 МГц; Свых = 0,2 пФ; лта^= 1100; 7^ = 2,8 кОм. Тогда получаем = 400; 7VT = 64; Nn = 1000; 7УВ.Ц = 175; С7Мтах - 0,9 мВ; Uyc=0,016 мВ, откуда следует, что основную роль играют шумы переноса, а шумами входного каскада можно пренебречь. Отношение сигнал/шум в рассмотренном примере ^iTnin=Uc/Uulmsx = 100/0,9 = 110.
Пространственно-частотная и частотно-контрастная характеристики матрицы ПЗС зависят от трех факторов: размера и шага фоточувствитель-ных элементов, неэффективности переноса носителей зарядов и диффузионного растекания носителей. Если элемент матрицы прямоугольной формы имеет в заданном направлении (продольном или поперечном) размер аэ, а его шаг равен д, то ПЧХ, учитывающая геометрический фактор, определяется из выражения
п sint^//^/^)] ’ - ,,, г \ 9
/(bpЛпах)
где^^ах = 1/(2д) — максимальная пространственная частота (частота Найквиста); b — коэффициент, учитывающий фазовый сдвиг между осями элементов и максимумами яркости полос миры, причем в случае их совпадения Ь = 2 (наилучший случай) и сдвига на половину периода 6=1 (наихудший случай).
Отметим, что приведенное выражение вьггекает из преобразования Фурье при условии, что пространственное распределение чувствительности внутри размера аэ постоянно.
Для определения ЧКХ матрицы, отвечающей штриховой мире, необходимо воспользоваться формулой пересчета (см. п. 1.3). Однако, принимая во внимание, что проекция штриховой миры на фоточувствительный слой вследствие частотных искажений, вносимых объективом, имеет практически трапецеидальный, а не прямоугольный характер, можно записать
v 8т[тгаэ/п/(6джэ)] тгаэ/п/(6джэ)
(3.33)
где т — число черных и белых штрихов миры, отнесенных к высоте секции накопления (высоте растра); тэ — число светочувствительных элементов в данном направлении, отнесенных к высоте секции накопления.
Отметим, что для матриц с кадровым переносом в горизонтальном направлении аэ = р. В матрицах со строчным переносом светочувствительные элементы в строке чередуются с элементами секции памяти и в этом случае aa - pfl.
На рис. 3.24 изображены продольные ЧКХ (кривые 1 — 3), отвечающие случаям b = 1; Ь = 1,5 и b = 2 при условии аэ=р.
76
Рис. 3.24. Расчетные составляющие ЧКХ матрицы ПЗС: при Ь = 1 (2); Ь = 1,5 (2); b = 2 (5);
Кп(т) при ле = 0,05 (4)
Составляющая ЧКХ, учитывающая неэффективность переносов, равна
Кп(т) = ехр[-ие(1 -cos7t/n//n3)].
Следует отметить, что продольная ЧКХ будет определяться только числом переносов в горизонтальном выходном регистре, а для расчета поперечной ЧКХ к ним необходимо прибавить число переносов в вертикальном столбце.
Оценим для примера влияние неэффективности переносов на продольную ЧКХ для матрицы, в строке которой содержится 250 элементов, считая, что неэффективность одного трехфазного переноса составляет е = 2 • Ю’Л Тогда для m/ms = 1 получаем Кп = 0,9 (рис. 3.24), что выше геометрической составляющей.
Третья составляющая ЧКХ связана с диффузией носителей в подложке, при которой часть носителей, генерированных вне обедненных областей электродов, попадает в ближайшие потенциальные ямы. В результате функция пространственного распределения чувствительности S(x) электрода
Рис. 3.25. Функция распределения чувствительности элемента матрицы ПЗС при X = 0,5 мкм
(2) и X = 1,0 мкм (2)
77
выходит за рамки его геометри-
Рис. 3.26. Составляющая ЧКХ матрицы ПЗС, обусловленная диффузионным растеканием носителей:
I— X = 1, мкм; 2— X = 0,9 мкм; 3— Х=0,8 мкм; 4— Л — 0,7 мкм; 5— X = 0,6 мкм
ческих размеров, обозначенных на рис. 3.25 штриховой линией. Функция S (х) зависит от длины волны X, причем с уменьшением длины волны она приближается к размеру электрода в заданном направлении х. С увеличением X возрастает глубина проникновения излучения в подложку, и функция S (х) становится шире, что приводит к ухудшению частотных свойств ПЗС. Формула для расчета диффузионной составляющей ЧКХ будет [7]
l-e^/d+aZ) l-e-arf /(1+aZo)’
где L = Z,071/[l+^(27cAr)2]; a — коэффициент поглощения
излучения в подложке, зависящий от длины волны X; d — глубина области пространственного заряда (расстояние от места поглощения излучения до обедненного слоя), зависящая от напряжения на электроде; Lo — диффузионная длина носителей в подложке; N— пространственная частота штриховой миры, мм"1.
Принимая во внимание, что т = 27Уйф, где йф— высота секции накопления матрицы, формула легко преобразуется к виду Кр(т}.
На рис. 3.26 приведены характеристики KJ,N) и соответствующие им характеристики Кр(т) для матрицы 1200ЦМ7 с высотой йф = 5,2 мм, остальные постоянные: d= 5 мкм, £0 = 100 мкм. Значения коэффициента a приведены ниже:
X, 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
В целом расчетные и экспериментальные данные показывают, что пространственные потери, вызванные диффузией носителей, становятся существенными при X > 0,6 мкм [53].
Результирующая ЧКХ матрицы ПЗС имеет вид произведения
^пзс(^) = Щт)К^т)К£т).
В заключение отметим, что для улучшения ЧКХ матрицы и соответственно увеличения ее разрешающей способности рекомендуется отсекать длинноволновую часть спектра излучения с помощью специальных фильтров, однако при этом может снизиться энергетическая чувствительность матрицы.
Параметры некоторых типов матричных ПЗС приведены в Приложении 1.
78
3.1. СОЧЛЕНЕННЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
При создании специальной телевизионной аппаратуры прикладного назначения применяются фотопреобразователи, представляющие собой сочленение электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с передающей трубкой или ПЗС. Такое сочленение преследует несколько целей, главной из которых является существенное повышение энергетической чувствительности системы, что, в частности, открывает возможности для создания систем так называемого «ночного видения». Применение ЭОП позволяет также создавать рентгенотелевизионные установки, аппаратуру, работающую в УФ- и ИК-областях спектра оптического излучения. Важным фактором при создании импульсных телевизионных систем является возможность использования ЭОП в качестве электрооптического затвора. Применение ЭОП с микроканальными пластинами (МКП) позволяет не только увеличивать, но и в значительных пределах изменять энергетическую чувствительность системы, т. е. создавать адаптивные системы, работающие в широком динамическом диапазоне яркостей объекта.
Основными недостатками сочлененных приборов являются более низкая, чем у обычных фотопреобразователей, разрешающая способность и необходимость в высоковольтныхшсточниках питания. К недостаткам также следует отнести значительно большую стоимость сочлененного прибора, его увеличенные габаритные размеры и потребность в дополнительных операциях при изготовлении.
Первые серийные образцы отечественных сочлененных трубок, выполненных на базе суперортикона и однокамерного ЭОП, появились в начале 1960-х годов. Позднее были созданы экспериментальные образцы сочлененных приборов, выполненных на базе видиконов и секонов. В настоящее время основное место занимают сочлененные фотопреобразователи на базе суперкремниконов и ПЗС. Первые позволяют получить максимальную чувствительность системы, а вторые наряду с хорошей чувствительностью обладают большей надежностью и минимальными размерами.
Характеристики и параметры сочлененного прибора во многом зависят от вида оптического перехода между ЭОП и передающей трубкой или ПЗС. Существуют следующие основные виды оптических переходов: проекционный объектив, цилиндрическая стекловолоконная планшайба и фокон. С помощью цилиндрической планшайбы сочленяются обе части прибора, имеющие одинаковые по размеру рабочие поверхности люминофора и внутреннего фоточувствительного слоя. Если эти размеры разные, причем больше обычно бывает рабочая поверхность люминофора, то используется фокон — стекловолоконный переход с изменяющимся по ходу лучей диаметром. Если фотокатод передающей трубки имеет сферическую поверхность, то соответствующую поверхность имеет и стекловолоконная планшайба.
На рис. 3.27, а, б, показаны сочленение плоского однокамерного ЭОП с близкой фокусировкой и матрицы ПЗС через две стекловолоконные планшайбы (а) и сочленение ЭОП с матрицей ПЗС через фокон (б). На входе ЭОП с электростатической фокусировкой устанавливается плосковогнутая стекловолоконная планшайба для уменьшения электронно-оптических аберраций. В ЭОП с близкой фокусировкой перенос электронного изоб-
79
Рис. 3.27. Схема сочленения ЭОП с матрицами ПЗС: а — ЭОП с близкой фокусировкой; б — ЭОП с электростатической фокусировкой: 1 — фотокатод ЭОП; 2 — микроканальная ллстина; 3 — люминофор ЭОП; 4 — стекловолоконная выходная планшайба ЭОП; 5 — стекловолоконая входная планшайба ПЗС; 6 — фотослой ПЗС; 7— ЭОП; 8 — фокон; 9 — матрица ПЗС
ражения осуществляется практически без искажений. Микроканальные пластины применяются в обоих типах приборов [34].
Применение проекционного объектива отличается наибольшей простотой и не требует вмешательства в конструкцию сочленяемых частей фотопреобразователя. Однако этот способ приводит к большим потерям света, исходящего в полусферу из экрана, который является ламбертовским излучателем. Освещенность передающей трубки или матрицы в этом случае можно определить по формуле
Е = М^-'^-4(1+Г)2
(3.34)
где М — светимость экрана; т0, D/f и V— интегральный коэффициент пропускания, относительное отверстие и линейное увеличение объектива соответственно.
Если принять, например, т0 = 0,8 ; D/f = 0,5; V= 1, то, согласно формуле (3.34), получим Е/ М= 0,013, т. е. передаваемая оптическим переходом световая энергия составляет немногим более одного процента. Таким образом, использование проекционного объектива в сочлененном приборе малоэффективно. В частности, как показывают расчеты, в режиме импульсного экспонирования, осуществляемого с частотой кадров, этот вид сочленения не обеспечивает необходимой световой чувствительности матриц ПЗС.
Применение в качестве оптического перехода стекловолокна позволяет передать поток от люминофора к фоточувствителыюму слою передающей трубки или ПЗС (внутреннему фотослою) с минимальными потерями. При этом в случае использования фокона возможен дополнительный выигрыш в освещенности внутреннего фотослоя, площадь которого меньше рабочей площади излучения люминофора. В общем случае освещенность фотослоя, имеющего прямоугольную конфигурацию, равна
Е=Мт /V* С* п ’
(3.35)
80
где Ип — отношение одной из сторон рабочей площадки внутреннего фотослоя к соответствующей стороне площадки люминофора; тс — интегральный коэффициент, учитывающий потери света в стекловолоконном соединении (коэффициент светопропускания).
Светимость экрана связана с освещенностью фотокатода ЭОП Евх и его коэффициентом преобразования ц (при масштабе переноса изображения в ЭОП 1:1) соотношением
М= Еъг[ < nLH , (336)
где ZH — яркость насыщения люминофора.
Неравенство (3.36) позволяет оценить верхний предел динамического диапазона входных освещенностей, передаваемого сочлененным прибором, как при импульсном, так и непрерывном во времени экспонировании внутреннего фотослоя. Нижний предел будет определяться уровнем собственных шумов прибора.
Оценка коэффициента тс в формуле (3.35) производится с учетом различных причин, приводящих к потерям, в числе которых светопропуска-ние входного и выходного торцов, геометрия световода, ослабление света в его материале, диффузное отражение [50]. В целом, как показывают расчеты, т:с = 0,6 -г 0,7.
При расчете энергетической чувствительности телевизионного датчика на сочлененном приборе необходимо учитывать спектральные характеристики матрицы или передающей трубки и люминофора ЭОП. Изменение световой чувствительности сочленяемого преобразователя при облучении его потоком, исходящим от люминофора ЭОП, по сравнению с облучением источником типа «А» учитывается с помощью коэффициента эффективности [21]
к = 0,0243кр/(кАкгр).
Здесь
со оо 0,78
f А('л)ф(к)</л jS(k)cpA(k)A {$(А,)ф(Х)<Д
О 0 0.38
к =--------------. к = д. к =— -----------------------——
Р оо оо 1-Р оо
f(p(A,)<7?v /фА(А,)<Д f(p(X)<&
0 0 о
где 5(Х) — относительная спектральная чувствительность сочленяемого преобразователя; ф(Х) и фА(Х) — относительные спектральные плотности потоков излучения люминофора и источника «А»; 9(Л) — кривая видности глаза.
В качестве примера приведем результаты расчета коэффициента к для ЭОП с люминофором К-67 и матрицы ПЗС типа ФПЗС-ЗМ (рис. 3.28). Результаты графического интегрирования: Кр = 0,73; кА = 0,15; кг = 0,69; к = 0,17. Таким образом, эффективность использования лучистого потока, излучаемого люминофором ЭОП, в рассматриваемом случае достаточно низка, а вольтовая чувствительность матрицы (см. табл. П. 1.2) уменьшается примерно в 6 раз.
При проектировании телевизионных систем с сочлененными фотопреобразователями очень важно оценить ухудшение разрешающей способности по сравнению с использованием в ней только передающей трубки или
^Зак. 352
81
Рис. 3.28. Спектральные характеристики люминофора К-67 (/); матрицы ПЗС (5); источника типа «А» (4) (2 — кривая видности глаза)
ПЗС. Оценить можно общепринятым способом по результирующей ЧКХ, в которой учитываются ЧКХ ЭОП и оптического перехода. При этом ЧКХ стекловолоконного перехода можно построить на основании ориентировочной формулы [50]
K(N) = U^itNdi/inNd), (3.37)
где /V — пространственная частота, мм'1; — функция Бесселя первого
рода первого порядка; d — диаметр выходного сечения волокна.
Отметим, что первое нулевое значение функции, отвечающей формуле (3.37), будет при Nd= 1,22. Если в оптическом переходе используются два стекловолоконных соединения (см. рис. 3.27, б), то при расчете ЧКХ это следует учесть, возведя правую часть формулы (3.37) в квадрат.
На рис. 3.29 показана светосигнальная характеристика прибора Р86151, выполненного на основе фоконного сочленения с полноформатной матрицей ПЗС типа Р8602 и усилителя яркости Р8305, имеющего МКП. Раз
Рис. 3.29. Светосигнальная характеристика сочлененного фотопреобразователя
меры сочленяемых поверхностей по диагонали 18 и 10,6 мм. Спектральная характеристика фотокатода лежит в пределах от 350 до 900 нм. Разрешающая способность прибора 250 твл при модуляции сигнала 20 %. Остаточный сигнал через Юме составляет 10 % и определяется полностью кривой затухания люминофора.
Следует отметить, что динамический диапазон передаваемых сочлененным прибором яркостей без
82
перестройки режима работы оказывается в 3 - 4 раза уже динамического диапазона матриц ПЗС (примерно 300 вместо 1000).
Представляет интерес использование сочлененного фотопреобразователя для импульсных телевизионных систем, пред назначенных для наблюдения за быстродвижущимися объектами (см. п. 10.4). В этих системах экспонирование фотопреобразователя производится либо импульсной засветкой фотокатода, либо подачей на микроканальную пластину или специальный электрод ЭОП отпирающих импульсов напряжения (режим электронного затвора). При энергетическом расчете импульсной системы с сочлененным фотопреобразователем следует учитывать частоту экспонирования и световременную характеристику люминофора ЭОП.
Будем полагать, что частота экспонирования не превышает частоты смены кадров или полукадров при чересстрочном разложении. Световременная характеристика бимолекулярного люминофора может быть представлена в случае пренебрежимо короткого времени возбуждения П-об-разным импульсом длительностью ts и последующей суммой двух экспонент, аппроксимирующих кривую затухания [18]. Тогда экспозиция, сообщаемая внутреннему фотослою, будет составлять
— Р t ^11 — Р t
H = 4А)+-^(1-е ^'°)1,
-ГЗ.К 'з. д
где Еп — максимальная освещенность фотослоя, достигаемая в процессе возбуждения люминофора; Рз к, Р3 д — постоянные коротковременной и долговременной составляющих кривой затухания соответственно; пк, п — коэффициенты, учитывающие относительную долю участия каждой из составляющих кривой затухания, причем пк + пд = 1; t3 — полное время затухания, при котором остаточная освещенность не превышает 2 — 5 %.
При условиях t3«1/Р3 к, t3 »1/Рз к
Н = Em(t3+ nJ P3K+nR/P3K). (3.38)
Для стекловолоконного оптического перехода освещенность Ет в соответствии с формулой (3.35)
Е =М 1 /V2,
причем светимость люминофора Мт не должна превышать значения, вытекающего из неравенства (3.36).
Для люминофора, выполненного из виллемита и имеющего спектр излучения, сходный с люминофором К-67, время затухания, измеренное на уровне 5 %, составляет примерно 18 мс, а при определении экспозиции коротковременной составляющей кривой затухания можно пренебречь. В этом случае формула (3.38) преобразуется к виду
Для виллемита лд=0,35; Р3 д= ПО 1/с, а яркость насыщения к 16 кд/м2, откуда Л/тах « 50 лм/м2. Полученные соотношения позволяют по заданной
83
Рис. 3.30. ЭОП с электростатической фокусировкой и внутренней матрицей ПЗС:
7 — стекловолоконная планшайба; 2—фотокатод;
3 — матрица ПЗС
экспозиции и длительности экспонирования найти требуемую светимость люминофора ЭОП.
В заключение отметим перспективность разработок гибридных фотопреобразователей ЭОП-ПЗС без оптических переходов. В этих приборах образование электронно-дырочных пар происходит под действием фотоэлектронов, эмит-тируемых фотокатодом ЭОП. Имеются различные варианты построения таких приборов, в которых применяются ЭОП с электростатической, магнитной и близкой фокусировкой. Приборы первого типа позволяют изменять масштаб изображения, как это показано на рис. 3.30.
Энергия образования электронно- дырочной пары в кремнии при электронном возбуждении составляет 3,5 эВ, что позволяет при ускоряющем
напряжении около 6 кВ получить коэффициент усиления 1000 [46].
Гибридный прибор с электронным возбуждением типа ФППЗ 16М рассчитан на рабочую освещенность 10~2 лк (пороговая освещенность 10-4 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 приводит к снижению стабильности параметров и долговечности прибора.
Глава 4. КИНЕСКОПЫ ЧЕРНО-БЕЛОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Основным устройством отображения визуальной телевизионной информации является приемная электронно-лучевая трубка — кинескоп. Наиболее многочисленную группу кинескопов составляют трубки прямого наблюдения. Для воспроизведения изображений на больших экранах применяются проекционные кинескопы. Существуют также трубки для записи изображений на кинопленку. Черно-белые кинескопы широко использу-
Рис. 4.1. Конструкция кинескопа
ются в видеоконтрольных устройствах промышленных телевизионных установок, в качестве видоискателей передающих камер, д ля контроля изображений технического зрения и т. д.
По углу отклонения луча кинескопы подразделяются на трубки 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 электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча. В состав конструкции кинескопа (рис. 4.1) входят: стеклянная колба 1 с вакуумом не менее 10-5 мм рт. ст., термокатод с подогревателем 2, электронно-оптическая фокусирующая система 3, 4, экран с люминофором 5, управляющий электрод (модулятор) 6, служащий для управления током луча, отклоняющая система, состоящая из двух пар катушек — кадровых и строчных (на рисунке не показаны).
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 3 и главным анодом 4, а также иммерсионого объектива, образованного термокатодом 2, модулятором
85
Рис. 4.2. Схема фокусировки электронного луча
6 и фокусирующим анодом 3. Поле главной линзы заключено в пространстве между плоскостями а и б, поле иммерсионного объектива — между плоскостями виг.
Поле главной линзы фокусирует электроны в плоскости экрана (рис. 4.2). При этом диаметр сечения электронного пучка в плоскости экрана d' будет определяться степенью сжатия электронов в иммерсионном объективе, напряженность поля в котором благодаря малым расстояниям между электродами оказывается достаточно большой. Если бы иммерсионный объектив отсутствовал, то диаметр d' примерно в три раза превышал бы диаметр эмиттирующей части термокатода dK, что составило бы несколько миллиметров. Такое значение d' недопустимо с точки зрения разрешающей способности трубки. Поле иммерсионного объектива собирает вылетевшие из термокатода электроны в узкий пучок, сечение которого c'j называют кроссовером. Главная линза проецирует кроссовер на экран кинескопа, и сечение электронного пучка d' оказывается в 5 —10 раз меньше, чем при отсутствии иммерсионного объектива.
Электронный луч может от
Рис. 4.3. Отклоняющая катушка для широкоугольных кинескопов
клоняться как электрическим, так и магнитным полем. В современных кинескопах используется преимущественно второй способ. Это обусловлено тем, что магнитное отклонение позволяет получить большой угол, достигающий 110° и выше, без заметной дефокусировки электронного луча отклоняющим полем. При отклонении электрическим полем максимальный угол, определяемый тем же условием, не превышает 30°.
Отклоняющие катушки ки
нескопов при углах отклонения до 90° обычно имеют ци
86
линдрическую форму. При углах отклонения в 110° отклоняющая система состоит из цилиндрической и конической частей (рис. 4.3), причем последняя непосредственно прилегает к колбе кинескопа. В широкоугольных трубках радиус кривизны экрана превышает радиус отклонения луча в несколько раз. При этом в случае отклонения луча обычным пилообразным током получаются так называемые подушкообразные искажения растра, выражающиеся в том, что крайние его участки оказываются растянутыми по сравнению с центральным участком (см. рис. 2.11). Для уменьшения этих искажений отклоняющим токам придают 5-образную форму, либо конструируют катушки таким образом, чтобы их чувствительность уменьшалась с увеличением угла отклонения. Этому требованию, в частности, отвечает конструкция катушек с расширяющейся конической частью, в которой напряженность поля, а следовательно, и чувствительность к отклонению меньше, чем в цилиндрической части.
Отклоняющие ампер-витки для широкоугольных катушек
iW =2,7<?-^_sin<pA/^7>
^экв
где q = r /1— отношение радиуса кривизны экрана к радиусу отклонения луча; dBX — входной диаметр отклоняющей системы; аэкв — эквивалентная длина катушек; <р — угол отклонения луча от центра; Uz — напряжение на втором аноде.
Эквивалентная длина катушек
1 + «экв =а + Ь------,
где расстояния а, b и dp показаны на рис. 4.3.
Индуктивность пары отклоняющих катушек
ZK = «ЭКВ^2Ю-8,
где аэкв выражено в сантиметрах.
4.2. МОДУЛЯЦИОННАЯ И ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ КИНЕСКОПА
Модуляция, или управление интенсивностью электронного луча, осуществляется путем подачи на управляющий электрод видеосигнала, усиленного до необходимого значения, которое определяется модуляционной характеристикой кинескопа, обычно аппроксимируемой функцией
L=^UM-U3)\
где L — средняя яркость свечения экрана; р — коэффициент пропорциональности; UM — напряжение видеосигнала на модуляторе; U3 — напряжение запирания тока луча кинескопа; у — показатель степени, у = 1,5 -г 2,5.
87
Рис. 4.4. Модуляционная характеристика кинескопа 40ЛК5Б
Часто модуляционной характеристикой называют также зависимость тока луча от напряжения гл = f (UM) (рис. 4.4), а иногда — зависимость тока катода от напряжения Между током луча и яркостью свечения возбуждаемого люминофора существует однозначная [зависимость, что позволяет строить модуляционную характеристику одновременно в виде двух функций. Эта зависимость выражается соотношением [49]
L^K^UjS^, где Кк — коэффициент пропорциональности; 5ЭК — площадь экрана.
Коэффициент К* определяет эффективность преобразования мощности электронного луча в световую
энергию, зависящую от типа люминофора. Для обычных кинескопов К*. = 4 -г 8 кд/ Вт. Из формулы следует, что экраны меньших размеров будут при прочих равных условиях обладать большей яркостью свечения.
Пространственно-частотные характеристики кинескопов хорошо аппроксимируются функцией вида
АГ(/) = е-<2^2, (4.1)
где О/2л — приведенная частота апертуры кинескопа; /— частота синусоидального напряжения, прикладываемого к модулятору трубки.
Отметим, что приведенная частота апертуры слабо зависит от тока луча, и, следовательно, от мгновенного значения видеосигнала, а также от анодного напряжения.
По аналогии с формулой (4.1) можно записать выражение для частотно-контрастной характеристики
К(гп) = , (4.2)
где т — пространственная частота прямоугольных импульсов, подаваемых на модулятор и соответствующих оптической штриховой мире, твл; zne — пространственная частота, при которой ЧКХ спадает до величины 1/е=0,37.
4.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКРАНОВ
Экран представляет собой слой люминофора, нанесенный на внутреннюю сторону переднего стекла колбы кинескопа. Для черно-белых кинескопов в состав люминофора обычно вводят сульфид цинка, сульфид
88
Рис. 4.5. Спектральная характеристика люминофора
Рис. 4.6. Световременная характеристика люминофора
кадмия, составляющих основу люминофора, и небольшое количество серебра, которое играет роль активатора, повышающего 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 световременная 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
- 1 ? гк i
где Тк — длительность кадра; L($— характеристика затухания люминофора, которую в первом приближении можно аппроксимировать функцией L (t) = Lme~a‘‘.
Коэффициент «j определяет скорость затухания яркости, и для обычных кинескопов его следует выбирать таким, чтобы время полного послесвечения люминофора было близким к времени кадра. Для времени Ту = 40 мс этому условию удовлетворяет «j = (80 -5- 90)-1с. В этом случае остаточная яркость к концу кадра будет составлять примерно 5 %. При меньших значениях Oj люминофор создаст существенное послесвечение, что может привести к размазыванию изображений движущихся объектов. При больших значениях т. е. коротких временах послесвечения, уменьшится средняя яркость свечения экрана. В том случае, когда система предназначена для передачи в основном неподвижных изображений, рационально выбирать люминофоры с большим послесвечением, что позволяет уменьшить частоту кадров.
Характеристикой экрана является и контраст крупных деталей воспроизводимого изображения. В п. 1.1 было показано, что при наличии посторонних засветок экрана кинескопа первоначальное значение контраста К снижается до величины
К' = (Дпах ~Anin)/(Anax + Д) = ^/0 + Д/Дпах)>
89
Рис. 4.7. Процесс образования ореола
где Lmax и — максимальная и минимальная яркости контрастирующих участков соответственно; L3 — яркость экрана от засветки.
Внешние засветки экрана возможно устранить или уменьшить соответствующим расположением видеоконтроль-ного устройства относительно мешающих источников света. Источником внутренней засветки является сам экран. Световые лучи, испускаемые люминофором, частично отражаются от внутренних поверхностей колбы и попадают на соседние участки изображения. Для уменьшения этого явления применяют алюминирование экрана. При этом экран покрывается изнутри алюминие
вым слоем толщиной 0,05 — 0,5 мкм. Электронный луч без труда проходит через эту пленку и воздействует на люминофор. Пленка не пропускает световые лучи внутрь кинескопа и одновременно отражает их в сторону наблюдателя, увеличивая тем самым яркость изображения.
На контраст мелких и средних деталей изображения отрицательное явление оказывает так называемый ореол. Ореол образуется следующим образом. Электронный луч, попадающий на точку А (рис. 4.7), возбуждает люминофор, световые лучи от которого расходятся под разными углами [49]. Если эти углы оказываются меньше критического значения 42°),
то лучи преломляются и выходят наружу в сторону наблюдателя. При углах, равных или больших укр, наступает полное внутреннее отражение лучей от поверхности раздела стекло — воздух, в результате чего вокруг светящейся точки образуется ореольное кольцо. Диаметр кольца do можно приблизительно рассчитать, исходя из толщины стекла колбы 8. Согласно рис. 4.7, do=4a = 4 8tg42° = 3,6 8.
Кроме основного кольца могут возникнуть и следующие, менее яркие кольца, вызванные вторичными отражениями.
В качестве противоореольного средства экран трубки изготавливают из дымчатого стекла, которое обладает повышенным поглощением света. Ослабление силы света в стекле подчиняется выражению
7(d) = /ое-^, где 1О — излучаемая люминофором сила света; кп — коэффициент поглощения дымчатого стекла; d — путь, который проходит луч.
Для лучей, отраженных в сторону наблюдателя, d а 8, в то время как для лучей, создающих ореол первое кольцо, d- 8( 1 + 2/cos \р) » 2,58, где > '|/кр. Такая разница в ходе лучей обеспечивает увеличение контраста мелких деталей изображения примерно на порядок по сравнению с прозрачным стеклом.
В Приложении 4 приведены характеристики некоторых отечественных кинескопов.
90
4.4. ПРОЕКЦИОННЫЕ КИНЕСКОПЫ
Проекционные кинескопы предназначены для создания крупномасштабных изображений на больших экранах до 12 м2 и более. В качестве проекционных кинескопов применяют трубки с диагональю растра 6-18 см, которые при анодном напряжении 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 применяют линзовые и зеркально-линзовые устройства. Поскольку свечение экрана подчиняется закону Ламберта, линзовый объектив передает очень малую часть светового потока Фэк, излучаемого экраном кинескопа. Эту часть можно подсчитать по формуле
ф ^ф
“ 4(1 + П2
где т0, D/f' и V— интегральный коэффициент пропускания, относительное отверстие и линейное увеличение объектива соответственно.
При т0 = 0,8, D/f' = 0,5 и К»0 получаем Фвых/Фэк = 0,05, т. е. только 5 % излучаемого светового потока достигает большого экрана. Увеличить эффективность проекционного оптического устройства можно за счет применения зеркально-линзовой системы Шмидта. В этой системе можно получить относительное отверстие D/f' = 1,66, что позволяет увеличить коэффициент полезного действия оптики в 10 раз, доведя его до 50 % [4].
Основным элементом зеркально-линзовой системы является сферическое зеркало, а линзовые элементы играют только вспомогательную роль и служат для коррекции сферических аберраций зеркала.
Следует отметить, что проблема «большого экрана» решается не только с помощью проекционных кинескопов, возможности которых ограничены, но и методом модуляции независимых источников света, наиболее перспективным из которых является лазер [4]. Сканирование лазера осуществляется с помощью оптико-механического дефлектора (качающееся зеркало и зеркальный барабан), а модуляция — с помощью электронно-оптического модулятора поляризационного типа.
Рис. 4.8. Схема проекционной системы с кинескопом: 1 — кинескоп; 2 — линзовый объектив; 3 — экран
91
Глава 5. УСИЛЕНИЕ И АНАЛОГОВАЯ ОБРАБОТКА ВИДЕОСИГНАЛА
5.1. СОСТАВ И ТРЕБОВАНИЯ К ВИДЕОУСИЛИТЕЛЬНОМУ ТРАКТУ
Видеоусилительный тракт прикладной телевизионной системы (ВТ) предназначен для усиления слабых сигналов, поступающих с фотопреобразователя, до уровня, обеспечивающего нормальную работу приемника информации, и их аналоговой обработки. Последняя заключается в линейных и нелинейных преобразованиях сигнала, облегчающих решение стоящих перед системой задач. В ряде случаев аналоговая обработка предшествует цифровым преобразованиям видеосигнала.
Видеотракт в общем случае состоит из предварительного, промежуточного и оконечного видеоусилителей. В цифровых системах вместо оконечного усилителя видеотракт заканчивается аналого-цифровым преобразователем (преобразователем «напряжение — код»). Предварительный видеоусилитель (ПУ) усиливает сигналы, поступающие с передающей трубки или ПЗС, формирует их спектр и динамический диапазон. В промежуточном усилителе замешиваются в видеосигнал гасящие и синхронизирующие импульсы и формируется полный телевизионный сигнал. Функции предварительного и промежуточного усилителей часто совмещаются в одном устройстве, находящемся в телевизионном датчике (передающей камере). Оконечный усилитель работает непосредственно на кинескоп, видеомагнитофон или иной приемник аналоговой информации.
К видеотракту предъявляются следующие общие требования.
1. Форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ВТ и его полоса пропускания полностью зависят от назначения системы. Полосу пропускания ВТ следует согласовывать с полосой частот видеосигнала и с коэффициентом шума ПУ. Слишком узкая полоса частот приводит к потере полезной информации, слишком широкая — 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 меньше собственных шумов фотопреобразователя, чтобы коэффициент шума усилителя был минимальным.
4. Шунтирующее действие входного сопротивления ПУ на нагрузочный резистор фотопреобразователя должно быть минимальным.
5. ВТ должен обладать необходимой стабильностью характеристик при изменении внешних воздействий и старения элементов схемы.
Структурная схема ПУ, приведенная на рис. 5.1, состоит из входной цепи с нагрузочным резистором фотопреобразователя, входного и выходного каскадов, типовых каскадов усиления, а также корректирующих и формирующих устройств. Под типовыми каскадами понимаются усилительные каскады, не вносящие существенных изменений в форму АЧХ и АХ ВТ и предназначенные исключительно для повышения общего уровня усиления. К числу корректоров АЧХ и АХ относятся корректор частотной ха-
92
Сигнал
Рис. 5.1. Структурная схема предварительного усилителя
рактеристики входной цепи, апертурный и градационный корректоры. В качестве формирователя АЧХ используются узкополосные усилительные каскады и фильтры, с помощью которых реализуются оптимальные условия обработки видеосигнала.
5.2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ ВИДЕОТРАКТА
Основным звеном ВТ, определяющим характеристики системы, является предварительный усилитель. При проектировании ПУ необходимы следующие исходные данные: спектральный состав входного видеосигнала и полоса занимаемых им частот, динамический диапазон входных и выходных сигналов, уровень шумов, внутреннее сопротивление и выходная емкость фотопреобразователя, полярность сигнала на входе и выходе усилителя, минимально допустимое отношение сигнала кшуму, 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, как правило, подавляющими являются шумы входного каскада. Обычно при расчетах учитывают только шумы входного каскада, а шумами последующих каскадов пренебрегают. Согласование входного каскада ПУ с фотопреобразователем по шумам можно считать оптимальным, если шумы последнего станут лимитирующими по сравнению с шумами усилителя иш ус, т. е.
где Аш — коэффициент шума ПУ (практически считается достаточным, если < 2).
Согласование по шумам в усилителе можно рассматривать как совокупность мер, направленных на уменьшение коэффициента шума: выбор нагрузочного сопротивления и схемы включения фотопреобразователя, выбор схемы входного каскада и его активного элемента (лампы, биполярного или полевого транзистора).
При анализе исходных данных для расчета ВТ важным фактором является его АЧХ. При выборе формы АЧХ ВТ для телевизионных систем обзорного типа руководствуются требованием равномерной передачи всего спектра частот сигнала, т. е. близкой к прямоугольной форме с заданной величиной спада на граничных частотах. Граничные частоты полосы пропускания усилителя определяются при этом на основе соображений, изложенных в п. 2.2. Для обеспечения крутого спада АЧХ на верхней гранич
93
ной частоте применяются ZAC-фильтры. При проектировании ВТ следует помнить, что сигнал изображения помимо переменной составляющей содержит также постоянную составляющую, несущую информацию о средней яркости передаваемого изображения. Изменение сюжета приводит*: изменению постоянной составляющей сигнала.
При априорно известной форме и размерах объекта наблюдения АЧХ ВТ целесообразно выбирать исходя из условия максимизации отношения сигнал/шум. В первую очередь это относится к измерительным системам. Для получения максимального отношения сигнал/шум необходимо пропустить аддитивную смесь сигнала и шумов через оптимальный фильтр, имеющий функцию передачи
к"°ш)= CW------------• <5Л>
где — коэффициент пропорциональности; (?(<в) — спектральная плотность мощности шума; S*(до) — функция, комплексно-сопряженная спектру сигнала S(ja), который при заданной форме сигнала f(t) определяется преобразованием Фурье
оо
t0 — время существования сигнала.
Если представить коэффициент передачи ВТ в виде
А(усо) = ABX(Jco)Ay(J®),
где А^х( jko) — коэффициент передачи входной цепи ПУ; Z^(уи) — коэффициент передачи усилительных каскадов, то последний с учетом условия = А^(уи) и формулы (5.1) оказывается равным
K0S •(/о)е"7Ю'« ^у(» = -^т4тг7Т--. у ' G(co)ABX(yco)
(5.2)
В большинстве случаев входная цепь ПУ состоит из нагрузочного сопротивления фотопреобразователя А и паразитной емкости С. Тогда
хи(/й) = |/(1+МО-
Формула (5.2) может служить исходной для расчета АЧХ видеотракта, а также отдельных его звеньев при условии, если известна форма входного сигнала.
Форму амплитудной характеристики ВТ, представляющей собой зависимость его выходного напряжения от напряжения на нагрузке фотопреобразователя, определяют в зависимости от назначения телевизионной системы и условий ее работы. Форма амплитудной характеристики ВТ в значительной степени определяет градационную характеристику системы. Если градационная характеристика системы задана, то для известных типов фотопреобразователя и воспроизводящего прибора (например, кинескопа) можно найти и АХ видеотракта. Методика подобного расчета будет изло
94
жена далее. Для придания АХ ВТ необходимой формы в состав ПУ вводят специальные звенья, называемые гамма-коррекпюрами.
При выборе формы АХ ВТ и протяженности ее рабочего участка следует учитывать динамический диапазон передаваемых сигналов. Если он оказывается чрезмерно большим, можно применить автоматическое регулирование усиления в отдельных каскадах.
Эскизный расчет предварительного видеоусилителя может быть осуществлен в следующей последовательности.
1. Определяют нагрузочное сопротивление передающей трубки А, исходя из заданного отношения сигнал/шум или других условий.
2. Определяют коэффициент усиления на нижних и средних частотах
^о = ^Ых/ОЛ)>
где UBmi — минимальное выходное напряжение ПУ; ic — минимальное значение тока сигнала передающей трубки.
3. Выбирают схемы входного и выходного каскадов. При использовании в телевизионном датчике трубок класса видикон рекомендуется входной каскад выполнять на полевом транзисторе с нулевым смещением на затворе и нагрузкой в цепи стока, что обеспечивает наименьший уровень собственных шумов (минимальное шумовое сопротивление). В качестве входных каскадов применяют также каскодные схемы, состоящие из двух последовательно включенных транзисторов (рис. 5.2). Каскодная схема отличается высокой устойчивостью к самовозбуждению. Шумовое сопротивление и входная емкость определяются параметрами нижнего транзистора, а коэффициент усиления составляет [54] K=s{R2, где — крутизна характеристики нижнего транзистора.
В качестве выходного каскада, работающего на отрезок кабеля, применяют эмиттерный либо истоковый повторитель, имеющий малое выходное сопротивление и практически не вносящий частотных искажений на
частотах до 10 Мгц. Коэффициент передачи эмиттерного повторителя можно принять равным Л^ых=0,4^-0,6. В цифровых системах нагрузкой выходного каскада служит преобразователь «напряжение-—код».
4. Определяют или выбирают необходимую форму АЧХ. Для прямоугольной формы АЧХ ориентировочно распределяют допустимый спад характеристики на верхней граничной Ц, частоте полосы пропускания, по каскадам. При этом необходимо учитывать результирующие частотные искажения, вносимые входной цепью и корректирующим каскадом в области
Рис. 5.2. Каскодная схема усилителя
95
верхних частот. На эти искажения следует отвести около половины общего спада АЧХ. По остальным звеньям спад характеристики можно распределить приблизительно равномерно.
5. Выбирают или рассчитывают необходимую форму и протяженность рабочего участка амплитудной характеристики.
6. Выбирают схемы корректирующих и типовых каскадов. Последние так же как и выходной каскад, должны выбираться, как правило, на основе унифицированных микросхем.
7. Определяют число типовых усилительных каскадов
1g к,
где J^x, — коэффициенты передачи входного, корректирующего совместно с входной цепью и типового каскада на нижних и средних частотах соответственно.
Если в составе ПУ имеются и другие звенья (например, гамма-корректор) , то необходимо учесть при расчете значения их коэффициентов передачи. При определении числа типовых каскадов следует учитывать требуемую полярность выходного сигнала.
Если предварительный видеоусилитель выполняет также функции промежуточного усилителя, то в составе ПУ необходимо предусмотреть звено, в котором происходит замешивание гасящей и синхронизирующей смеси импульсов, поступающих из синхрогенератора. Для этого 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 основе заданных требований к усилителю. После эскизного расчета производится детальный расчет схем нетиповых каскадов. После этого строятся АЧХ и АХ ПУ по характеристикам отдельных звеньев.
5.3. ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ / ШУМ НА ВЫХОДЕ ВИДЕОТРАКТА С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ АЧХ И ВЫБОР НАГРУЗОЧНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ТРУБКИ
ВХОДНОЙ КАСКАД ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Входные каскады ПУ, сочленяемых с малошумящими фотопреобразователями типа видикон, супервидикон и др., строятся, как правило, на полевых транзисторах. Эквивалентная схема входной цепи видеоусилителя для этого случая представлена на рис. 5.3. На схеме обозначены: А,— внутреннее сопротивление фотопреобразователя; Ан — нагрузочный резистор;
— шумовое сопротивление полевого транзистора; С — суммарная паразитная емкость входной цепи, состоящая из емкости монтажа, выходной емкости фотопреобразователя и входной емкости полевого транзистора. В схеме учтены четыре источника шумов: /ш ф — ток шума фотопреобра-
96
Рис. 5.3. Эквивалентная схема входной цепи усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе
зователя; —токшума, вызванного тепловыми флуктуациями в вещественной составляющей полного сопротивления входной цепи Re; гш 3 — ток шума, вызванного флуктуациями тока затвора в полевом транзисторе; иш т — напряжение шума, вызванного тепловыми флуктуациями в сопротивлении активного канала полевого транзистора.
Приведенная эквивалентная схема построена в соответствии с условием, согласно которому фотопреобразователь является генератором тока. Это условие справедливо в случае, когда сопротивление /^.достаточно велико, т. е. А(» /^,.а ток сигнала ic практически зависит только от освещенности фотопреобразователя и не зависит от нагрузки. Однако, как будет показано ниже, и в случае представления фотопреобразователя в качестве генератора напряжения расчетные соотношения будут аналогичными.
Из рис. 5.3 видно, что сопротивление входной цепи видеоусилителя Z, одновременно являющееся нагрузкой фотопреобразователя, носит комплексный характер. Очевидно, что с учетом R=/^/^/(/^+ ZQ имеем 1/Z = = 1/R + jaC, откуда
R(l-jaCR) 1+g>2C2R2
= Re+//m.
Вещественная и мнимая части сопротивления Хсоответственно равны:
R R Г aCR1
е \+a2C2R2' " 1+g>2C2R2'
Модуль комплексного сопротивления входной цепи
|z| = VRe2+Zffi2 = r/71 + ®2C2R2 .
Определим теперь значения составляющих шума на входе видеоусилителя. Тепловые флуктуации в сопротивлении Re выражаются формулой Найквиста
/в t^A=4^jRe(/)rf/, /н
7
' Зак. Зэ2
97
Рис. 5.4. Значения относительного коэффициента передачи входной цепи усилителя (с) и коэффициента передачи ви-деотракга с корректором частотных искажений (б)
где к — постоянная Больцмана; Т— значение абсолютной температуры; fK, /ъ — нижняя и верхняя частоты полосы пропускания усилителя соответственно.
Шум активного канала полевого транзистора принято оценивать так называемым шумовым сопротивлением R^, под которым понимается такое активное сопротивление, которое, будучи подключенным ко входу идеального, т.е. не шумящего, прибора, вызовет вследствие тепловых флуктуаций токшума, равный шумовому току реального прибора. Тогда
А
JRmdf = 4kTRlu(fB -/н).
/н
Определим теперь напряжение шумов ЦцЛвых и Um т вых на выходе усилителя. Для этого условимся, что полоса частот усиливаемых сигналов А/ лежит в пределах от fH » 0 до fB. Примем во внимание также, что относительный коэффициент передачи входной цепи усилителя в соответствии с рис. 5.3 равен
(со) = 1 /д/1 + со2С2Д2 . (5.3)
Очевидно, что в случае полной коррекции частотных искажений, вносимых входной цепью, значение коэффициента передачи ВТ должно лежать в пределах полосы пропускания
Ку (со) = Ко /к*х (со ) = Ко Vl + <o2C2/?2. (5.4)
На рис. 5.4, а, б приведены графики, соответствующие формулам (5.3) и (5.4). В соответствии с формулой Найквиста
/.
= 4wjRe(/Xy(/)2#-о
После преобразований
98
вых - 4kTRfBK%.
Аналогично
(2я/вАС)2
3
^ш.т.вых =4^fAmZ<y(/)2#= 4^шХ-07в 1+ О
Сигнал на выходе видеотракта
ic|zKx(®Hy(O>) = fc|z|^0.
U с. вых
Отношение сигнал/шум на выходе ВТ определяется формулой
V =
&с, вых
”2 4-Г/2 t 7/2
ш Авых T!7ui.t. вых тиш.з.вых
ш.ф. ВЫХ
(5.5)
где ф цд, 11ш 3 шк — напряжения шумов на выходе ВТ, вызванных флуктуациями тока сигнала фотопреобразователя и тока затвора полевого транзистора соответственно.
В общем случае, согласно формуле (5.5) и пренебрегая вследствие относительной малости шумами затвора, получим
Х|/ = -.===д=;Д;== ... .. (5.6)
^4kTfB[R + Ru] +(2nfBRC)2 Лш/3]+,1 Jz|2
поскольку очевидно равенство U2_ ф. вых = U2 фК2 = i2_ Jz|2 К%.
В области нижних частот спектра видеосигнала |z| » R и тогда
х|/=-г - - А- ===.,= ,,д (5.7)
^kTfjRXl +Аш/А+7?ш/гс7в2/0,075)+72ф
При значениях коэффициента шума Иш» 1 шумами фотопреобразователя также можно пренебречь, и формула (5.7) преобразуется к виду
у = ---------------,с- (5.8)
/4kTfjR)(l +Аш/7? +Аш7?С2/в2/0,075)
Если фотопреобразователь имеет небольшое внутреннее сопротивление, т. е. является генератором напряжения (в этом случае напряжение сигнала Ц. практически не зависит от сопротивления нагрузки R=Д-+ /у, то выражение (5.7) удобнее представить в виде
щ ,.= ..... ....Ас. . _ . (5.9)
^4kTfB [R + Аш(1 + R2C2f2 /б,075)]+U2 ф
Из соотношения (5.8) следует, что с увеличением нагрузочного сопротивления R значение отношения сигнал/шумрастет. Предельное значение ц/пр при R -> оо
99
IJCylkTf^ ’
(5.10)
Однако этот вывод справедлив только в том случае, если фотопреобразователь остается генератором тока, т. е. сохраняется неравенство Д» 7^. Из формулы (5.9), наоборот, вытекает, что значение ур можно увеличить, уменьшая сопротивление R. При этом должно выполняться неравенство R{« Rl{, справедливое для генератора напряжения.
Из выражений (5.8) - (5.10) следует, что существенно повысить значение ц/ можно путем сужения полосы частот усилителя и уменьшения паразитной емкости.
Анализируя формулу (5.8), можно сделать вывод, что практически предельное значение ц/ достигается уже при определенных конечных значениях сопротивления R. С уменьшением шумового сопротивления Rm значение R, начиная с которого отношение ц/ перестает практически увеличиваться, сдвигается в область меньших значений. Это сопротивление нагрузки фотопреобразователя и следует считать минимально допустимым. Окончательный выбор сопротивления натрузки необходимо делать с учетом возможности осуществления коррекции частотных искажений входной цепи и требуемого напряжения сигнала с точки зрения нормальных условий работы входного каскада усилителя.
Шумовое сопротивление полевого транзистора в общем случае определяется по формуле
„ = _о_____ (5.11)
4kTFe ’
где еш — эквивалентное шумовое напряжение, вД/Гц ; Fe — эквивалент-00
ная полоса частот, Fe = JK(f)df (при K(f) - const Fe = Af).
T, о
В случае широкополосного усиления, когда влиянием низкочастотных
составляющих шума можно пренебречь.
Рис. 5.5. Зависимости эквивалентного шумового напряжения еш от частоты f для двух типов полевых транзиторов (7, 2) при короткозамкнутом входе
шумовое сопротивление полевого транзистора, работающего с нулевым смещением на затворе, можно ориентировочно определить по формуле Rm = 0,7/So, где 50 -крутизна транзистора при нулевом смещении на затворе и напряжении на стоке, равном напряжению отсечки. В узкополосных усилителях низкочастотный шум полевого транзистора, обусловленный в основном генерационно-рекомбинационными процессами, Оказывает существенное влияние на результирующее значение 1/ш т, зависимость которо-
100
Ft
го от частоты можно установить из рис. 5.5 [10] и формулы т = J df.
о
В этом случае шумовое сопротивление следует определить по общей формуле (5.11) с учетом характера зависимости еш(/).
ПРОТИВОШУМОВАЯ КОРРЕКЦИЯ В ПУ
Ранее мы рассмотрели влияние нагрузочного сопротивления фотопреобразователя и входной паразитной емкости на отношение сигнал/шум и АЧХ видеотракта. Из полученных соотношений (5.6) и (5.7) следует, что при условии представления фотопреобразователя в виде генератора тока (передающие трубки класса видикон) увеличение сопротивления R до определенных пределов приводит к увеличению значения vj/, одновременно ухудшая АЧХ видеотракта в области высоких частот. Такое увеличение сопротивления R, вызванное необходимостью поднять отношение сигнал/шум в области низких частот спектра видеосигнала, где обычно сосредоточен максимум визуальной информации, носит название простой противошумовой коррекции или коррекции Брауде.
Очевидно, что простую противошумовую коррекцию целесообразно применять в том случае, когда шумы фотопреобразователя малы по сравнению с шумами входной цепи и первого каскада ПУ, ток сигнала также мал (например, при работе с видиконами и супервидиконами). При работе с супер-ортиконом [19] и диссектором наблюдается обратное явление: сигнал относительно велик, а шумы фотопреобразователя превалируют над шумами усилителя. В этом случае простая противошумовая коррекция малоэффективна, поэтому значение сопротивления нагрузки R можно
уменьшить.
Помимо простой коррекции во входной цепи применяется также сложная противошумовая коррекция. Как уже указывалось, простая противо-
шумовая коррекция позволяет существенно увеличить значения у в низкочастотной области спектра видеосигнала, так как с увеличением частоты мо-
дуль сопротивления входной цепи и, следовательно, входной сигнал умень-
шаются из-за шунтирующего действия паразитной емкости. Если, например, принять R= 100кОм, С=20пФи^=6 Мгц,то |Z|=1,3 кОм, т. е. нагрузочное сопротивление фотопреобразователя на верхней ipa-ничной частоте спектра сигнала оказывается почти в 80 раз меньше, чем в области низких частот. Во столько же раз уменьшиться и сигнал на входе ПУ, что может привести к полной потере информации о мелких деталях объекта на фоне шумов.
Сложная противошумовая коррекция позволяет увеличить нагрузочное сопро
Рис. 5.6. Схема сложной противошумовой коррекции
101
тивление фотопреобразователя и, следовательно, отношение сигнал/шум в высокочастотной области спектра видеосигнала за счет включения во входную цепь индуктивности L (рис. 5.6). Резонансный контур, образованный емкостями Свх1, Свх2 и индуктивностью L, увеличивает нагрузочное сопротивление в области верхних частот. Наилучший результат достигается при 0,854, где^, —резонансная частота контура. Влияние шумов при использовании сложной противошумовой коррекции снижается в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с простой коррекцией. Однако наличие во входной цепи резонансного контура снижает устойчивость усилителя к самовозбуждению и увеличивает его восприимчивость квнеш-ним помехам.
ВХОДНОЙ КАСКАД ПУ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Наиболее часто встречаются входные каскады усилителей, в которых биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером. В эквивалентной схеме входной цепи, приведенной на рис. 5.7, обозначены: 1шР— ток шума, вызванного тепловыми флуктуациями в сопротивлении R, представляющем собой параллельное соединение сопротивлений Rlt Rw гб + гэ (ПРИ гб « гэ) > Цл б ~ напряжение шума, вызванного тепловыми флуктуациями в сопротивлении базы г6; а 6 — ток шума, вызванного дробовыми флуктуациями тока эмиттера в базовой цепи; /ш э к-ток шума, вызванного дробовыми флуктуациями тока коллектора, перессчитанный во входную цепь; гд — сопротивление эмиттерного перехода.
Основной характерной особенностью этой схемы является небольшое значение активной составляющей полного сопротивления входной цепи (до нескольких сотен или тысяч Ом). Следствием этого является отсутствие частотных искажений, обусловленных паразитной емкостью С в широком интервале частот. Практически влияние паразитной емкости на частотную характеристику входной цепи оказывается незначительным вплоть до 9 Мгц и выше. Схема обладает и одним существенным недостатком: из-за низкоомной нагрузки повышаются требования к силе тока сигнала /с, при котором обеспечивается достаточное отношение сигнал / шум.
Рис. 5.7. Эквивалентная схема входной цепи усилителя с входным каскадом на биполярном транзисторе
102
Шумовые составляющие, относящиеся к транзистору и приведенные к входной цепи, можно определить следующим образом:
6 = 4fc7VB; £ э. б = 2е (1 - а)/э/в; Г2 э.к = 2eisfB, (5.12)
где а — коэффициент передачи эмитгерного тока /э.
Отношение сигнал / шум на выходе видеотракта (без учета влияния емкости С) равно его входному значению
у = (5.13)
/МсТ/, (1/Л + гб/и2) + 2^/в (2 - а) + £ф
Формула (5.13) устанавливает взаимосвязь между сопротивлением нагрузки R и значением при заданных параметрах входной цепи и силы тока сигнала, а также режима работы транзистора. Из формулы следует, что вследствие низкого значения сопротивления R отношение сигнал / шум оказывается в общем случае хуже, чем при использовании входного каскада на полевом транзисторе. Однако этот недостаток устраняется, если основным видом шумов являются шумы фотопреобразователя 1Ш ф.
5.4. ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ / ШУМ НА ВЫХОДЕ ВИДЕОТРАКТА С ОПТИМАЛЬНОЙ АЧХ
При отсутствии специальных ограничений на форму АЧХ видеотракта д ля получения максимального отношения сигнал / шум целесообразно применять оптимальную фильтрацию сигнала и шума. Комплексная частотная характеристика ВТ в относительных единицах будет определяться тогда формулой (5.1)
G(a> )
Отношение сигнал / шум на выходе оптимального фильтра с указанной характеристикой
5(со)2 G(CO)
1
2 If
Vopt —J
-со
Jco,
где 5 (и) — спектр тока сигнала.
Для входного каскада на полевом транзисторе и дробовом характере шумов видикона отношение сигнал/шум на выходе ВТ с оптимальной АЧХ
2 _ 1 г R2S(a)2K(a)2da
opt эт Д 2einR2K{& )2 + 4kTRK(m )2 + WTR^Ky (и )2
или, учитывая, что К(а) = К*к(а)Ку(а) и ^*x(<b) = 1/V1 + w2C2jR2 ,
103
5(ю)2б7ю
2 ___________________________________
яД,2ап +4к7’/7?+(4кТАш/А2)(1 + ш2С2А2)’ <5Л4>
где in — сила тока коммутирующего пучка.
Связь между током сигнала ic и спектром частот сигнала на выходе передающей трубки S(a) определяют из соотношения
1 г
'‘с(0 = — р(®)Ло, 2л J
а дня амплитудного значения сигнала —
—оо
где г0 — время достижения сигналом максимума.
В случае, если ток сигнала имеет колокольную форму, характерную д ля малоразмерных (так называемых «точечных») объектов, имеем
где о=ти/2 (ти — длительность колокольного импульса, измеряемая на уровне 1 / е = 0,37).
Соответстсвующий спектр частот видеосигнала будет
5(ю) = V27c7cOe““2o2/2.
От протяженных объектов сигнал на выходе передающей трубки имеет трапецеидальную форму (рис. 5.8). В этом случае спектр тока сигнала выражается соотношением [27]
Рис. 5.8. Форма сигнала на выходе фотопреобразователя от протяженного объекта
. 47. . сог„ . ч <в/„,
S(®) = —y^-sm-^-sinKl + fcT)—S-], и/н 2 2
гдеЛт = /в//н.
Из формулы (5.14) следует, что в случае оп
тимальной АЧХ видеотракта увеличение сопротивления нагрузки видикона R, так же как и в случае прямоугольной АЧХ, приводит к увеличению значения отношения сигнал / шум.
5.5. КОРРЕКТОРЫ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ВХОДНОЙ ЦЕПИ УСИЛИТЕЛЯ
Согласно формуле (5.3), коэффициент передачи входной цепи равен
К** (ю) = 1 / 71 + ®2С2/?2.
104
Задачей корректирующего каскада является такая коррекция АЧХ, отвечающей уравнению (5.3), чтобы результирующая характеристика входной цепи и корректора была близка к прямоугольной.
Распространены схемы коррекции с частотно-зависимым делителем и частотно-зависимой противосвязью. Вариант схемы с частотно-зависимым делителем показан на рис. 5.9. Делитель составлен из активных сопротивлений резисторов RI и KL, емкости конденсатора С1 и паразитной емкости С1. АЧХ корректирующего каскада [7]
Л2/7?1 + 1
-|2 ,
R2 1 (гоЛЬС!)2
1+(гоА1С1)2 [1+((оА1С1)212
откуда следует, что при R 2 « R1 и 1 / [1 + (ю • Cl)2] » R2 / получаем
K(m)=y/l+(mRl-Cl)2.
Выбирая Al- С1 = КС, имеем К(а) = 1 /^вх(и), что соответствует полной коррекции частотных искажений входной цепи.
Выбор элементов корректирующей цепи осуществляется исходя из следующих соображений. На нижних и средних частотах сопротивления плеч делителя можно считать чисто активными, так как значения емкостей С1 и С2 малы и коэффициент передачи корректирующей цепи при условии А2«А1
Ко = R2/(R1 + R2) ® R2/RI.
С другой стороны, можно показать [54], что
-^0 = —Л^в.резрезЫъКС),
откуда с учетом равенства • Cl = RC находим сопротивление R2:
R2 = 71-^в.рез /ж,резй ВС1), где Мв рез — результирующий коэффициент частотных искажений входной цепи и корректирующего каскада на верхней граничной частоте ив, Ч рез = 4 Л х = °>90 * °’98-
Сопротивление Rl: Al -RC/Ci.
С увеличением частоты действие емкостей возрастает и значение коэффициента деления уменьшается. На верхних частотах делитель можно считать чисто емкостным. Очевидно, что для повышения выходного напряжения в области верхних частот необходимо увеличивать емкость С1. Однако приэтом будет уменьшаться усиление пре-
Рис. 5.9. Схема корректора с частотно-зависимым делителем
105
Рис. 5.10. Схема корректора с частотно-зависимой противосвязыо
дыдущего каскада, так как емкость С1 оказывает шунтирующее действие на его нагрузку. Поэтому на практике обычно выбирают С1 » С2. При этом коэффициент деления сигнала на верхних частотах равен примерно двум.
Ослабление сигнала на верхних частотах примерно в два раза является недостатком рассмотренной схемы. В схеме с частотно-зависи
мой противосвязыо (рис. 5.10) ЭТОТ недостаток отсутствует. В эмиттер-ной цепи транзистора включена цепочка Rg Сд, параметры которой должны удовлетворять условиям:
R3 «1/(сонСэ); Лэ »1/(ювСэ).
Коэффициент усиления каскада по напряжению в общем случае
К-РЛ, l(Rt + А„Х), (5.15)
где р — коэффициент усиления потоку каскада с ОЭ; ^.— сопротивление источника сигнала; RBK — входное сопротивление транзистора, RBX = = гб + (1 + ₽) гэ.
При включении резистора обратной связи Rg»rg можно положить R вх = гб + (1 + Р) р Rg. Учитывая это, а также полагая, что R-« р Rs, получим из формулы (5.15) выражение для коэффициента усиления схемы в области низких частот с учетом отрицательной обратной связи за счет резистора R3: K^RJ Rg.
В области верхних частот отрицательная обратная связь вследствие шунтирующего действия конденсатора Сд практически отсутствует и коэффициент передачи каскада определяется формулой (5.15).
Из анализа работы схемы следует, что подъем частотной характеристики каскада в области верхних частот происходит за счет снижения коэффициента усиления в области низких частот. Величина ослабления сигнала на низких частотах равна коэффициенту передачи корректирующей цепи в этой области
/Гк=^0//Г = (А,.+Авх)/(рЛэ).
Очевидно, что для соблюдения условия коррекции частотных искажений входной цепи необходимо выполнить условие
1/^1+ w2C2/?2 = (R. + 2?вх)/(р/?э). (5.16)
Из условия (5.16) можно определить необходимое значение сопротивления резистора Rg. Если окажется, что оно превышает допустимое значение с точки зрения режима работы схемы по постоянному току, то корректирующие звенья R3Cg включают в цепь эмиттера нескольких каскадов, при этом уменьшается каждое значение Rs.
106
Емкость конденсатора Сэ можно найти из равенства Д,СЭ=КС, которое наряду с выражением (5.16) отвечает требованию полной коррекции частотных искажений входнойцепи [10,19].
Отметим, что корректоры частотных искажений входной цепи ПУ работают с большим ослаблением входного сигнала в области нижних частот (иногда в 100 и более раз), в связи с чем их рекомендуется включать после типовых усилительных каскадов.
5.6. ВОССТАНОВИТЕЛИ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИГНАЛА
Для передачи сигнала, содержащего низкочастотные и постоянную со-сотавляющие спектра частот, необходимо применять усилители постоянного тока или устройства, с помощью которых осуществляется перенос спектра в более высокочастотную область путем модулирования низкочастотным сигналом специального генератора несущей частоты с последующим детектированием сигнала на приемной стороне. Подобного усложнения усилителя можно избежать, если в составе исходного сигнала имеются периодически повторяющиеся импульсы, величина которых пропорциональна постоянной или низкочастотной составляющей спектра. В телевизионном сигнале роль таких импульсов выполняют строчные и кадровые гасящие импульсы.
Известно, что постоянная составляющая видеосигнала несет информацию о средней яркости передаваемого изображения в интервале строки или кадра. На рис. 5.11, а показан исходный сигнал, а на рис. 5.11, б — сигнал без постоянной составляющей. Потеря постоянной составляющей сигнала в усилителе (рис. 5.11, б) сопровождается искажением уровня гасящих импульсов (уровня черного). При этом гасящие импульсы оказываются промодулированными средней составляющей видеосигнала.
Рис. 5.11. Видеосигнал с постоянной составляющей (л) и без нее (6)
107
Рис. 5.12. Неуправляемая схема фиксации уровня гасящих импульсов (а) и форма напряжения на входе транзистора VT2 (б)
Для восстановления средней составляющей сигнала в требуемой точке видеотракта применяют схемы, с помощью которых осуществляется фиксация уровня гасящих импульсов. Наиболее простой и распространенной схемой является неуправляемая диодная схема (рис. 5.12, а). Она представляет собой пиковый детектор, благодаря которому на разделительном конденсаторе Ср образуется напряжение, пропорциональное размаху строчных гасящих импульсов. Во время действия гасящего импульса конденсатор заряжается через открытый диод до напряжения фиксации Е3, а по окончании импульса напряжение на конденсаторе через открытый транзистор F71 оказывается приложенным к затвору следующего полевого транзистора И72 в отрицательной полярности. При изменении размаха гасящих импульсов напряжение на конденсаторе также будет меняться. В промежутках между импульсами конденсатор постепенно разряжается через резистор R?, вследствие чего происходит некоторое изменение среднего уровня сигнала внутри строки, приводящее к изменению ее яркости от одного края к другому.
Другим недостатком неуправляемой схемы является ее инерционность, проявляющаяся при резком уменьшении размаха гасящих импульсов (рис. 5.12, б). В результате этого для приведения вершин гасящих импульсов к уровню фиксации требуется не один, а несколько периодов строчной развертки, в течение которых конденсатор теряет излишний заряд, разряжаясь через резистор Rp (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 изменением яркости вдоль строки Д. Из сказанного выше следует, что для постоянных заряда и разряда конденсатора Ср должны выполняться условия:
=CpGR„+.Rc)«/c.r; тр = CpRp »ТС,
где /с г — длительность строчного гасящего импульса; Тс — период строчной развертки; Rf[ — сопротивление диода в открытом состоянии.
Принимая, например, тз = tc г/ 3, получим из первого условия
Ср = /С.Г/[3(ЛД +JRC)J.
108
ф-
Рис. 5.13. Управляемая схема фиксации уровня гасящих импульсов
Поскольку значение Д мало (обычно Д < 0,05), разряд конденсатора можно считать линейным и тогда Тс/тр = Д, откуда
2?р=7’с/(СрД).
В тех случаях, когда требуется высокая точность фиксации, следует применять управляемые схемы, например мостовую схему с двумя диодами [19] или транзисторную схему, изображенную на рис. 5.13. Транзистор VT3 в этой схеме выполняет роль двустороннего ключа, управляемого положительными импульсами, поступающими на его затвор. Поступающие импульсы точно совпадают по фазе со строчными гасящими импульсами и открывают нормально запертый транзистор Г75во время обратного хода строчной развертки. Напряжение запирания транзистора регулируется резистором R1 и является напряжением фиксации уровня гасящих импульсов. Таким образом, при любых изменениях размаха гасящих импульсов в составе полного телевизионного сигнала, поступающего на вход транзистора VT1, конденсатор Ср будет легко перезаряжаться через открытый насыщенный транзистор VT3 и малое выходное сопротивление истокового повторителя VT1. Тем самым устраняется инерционность схемы фиксации. Разряд конденсатора Ср во время прямого хода развертки, приводящий к изменению яркости вдоль строки, будет незначительным благодаря большому значению входного сопротивления полевого транзистора VT2.
5.7. КОРРЕКТОРЫ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИДЕОТРАКТА
Ранее были рассмотрены методы расчета градационной характеристики телевизионной системы, представляющей собой зависимость In L= = /(In L'), где L — яркость воспроизводимого на экране кинескопа изоб-
109
Рис. 5.14. Диаграмма построения амплитудной характеристики видеотракта
ражения; L'— яркость объекта. Если градационная характеристика известна, то для заданных типов фотопреобразователя и кинескопа можно определить амплитудную характеристику видеотракта. Графически эта задача решается с помощью четырехквадрантной диаграммы, представленной на рис. 5.14 [41].
Градационная характеристика телевизионной системы изображена в IV квадранте диаграммы. Характеристика свет — сигнал фотопреобразователя — в /квадранте, а модуляционная характеристика кинескопа — в Ш квадранте. Во //квадранте строится по точкам искомая сквозная характеристика видеотракта UBblK Аналогично, используя зависимость Uc -f( In £') (где Uc — напряжение сигнала на входе порогового устройства АЦП), можно построить амплитудную характеристику видеотракта автоматической системы (с той лишь разницей, что в ///квадранте проводится прямая линия под углом 45°).
Как отмечалось ранее, в ограниченных пределах передаваемых яркостей градационную характеристику телевизионной системы можно представить степенной функцией L = kYlVx, где к3 — постоянный коэффициент; Yj — показатель степени.
Если аналогично представить и характеристики отдельных звеньев системы, то можно записать:
для фотопреобразователя - =к21/1г;
для кинескопа - L = k3U^x;
для видеотракта - (/вых = k4U^ .
Тогда после подстановок получаем
Т —к ТР* — к к'1зТГ13''1* —к Z-^’Z-W* Т'УгУуУл _ Ъ т>У1 ~ КЗивых ~ К3К4 иф ~1С3К4 к2 — ,
ПО
Рис. 5.15. Схема гамма-коррсктора
где kt = к^к3к%3 ; Yj = у2у3Т4.
Отсюда искомый показатель степени амплитудной характеристики ви-деотракта
Y 4 = Y1/(Y2Y3)
Придание необходимой формы АЧХ видеотракта осуществляется с помо-
щью специальных нелинейных звеньев, называемых гамма-корректорами.
Если остальные звенья видеотракта линейны, то форма АХ гамма-корректора
полностью соответствует форме АХ всего видеотракта. В противном случае АХ гамма-корректора можно построить с помощью четырехквадрантной диаграммы, аналогичной рассмотренной выше, но в которой в качестве исходных функций должны быть заданы АХ видеотракта и его части без гамма-корректора.
В качестве нелинейных элементов гамма-корректоров используются диоды или транзисторы, включаемые в цепь нагрузки, либо отрицательной обратной связи усилительного каскада. На рис. 5.15 представлена транзисторная схема гамма-корректора, в которой коррекция амплитудной характерист ики производится за счет изменения нагрузки в коллекторной цепи второго каскада.
На входе любого гамма-корректора всегда должна быть предусмотрена схема фиксации уровня черного, для того чтобы он постоянно располагался в определенной точке АХ независимо от уровня средней яркости передаваемого изображения (на рис. 5.16 — в точке, соот-
Рис. 5.16. Расположение уров-ня черного относительно амплитудной характеристики гамма -корректора
Ш
Рис. 5.17. Амплитудная характеристика гамма-корректора
Рис. 5.18. Схема построения двухканального гамма-корректора
ветствующей UBX - 0). Только при этом условии коррекция видеосигнала будет осуществляться правильно, т. е. на соответствующем участке АХ. На вход схемы, показанной на рис. 5.15, подается видеосигнал положительной полярности, которая не изменяется после эмиттерного повторителя. При увеличении сигнала на базе второго транзистора последовательно открываются диоды VD1, VD2, VD3 (число диодов может быть любым), нагрузочное сопротивление соответственно уменьшается и коэффициент усиления падает. Недостатком этой и других аналогичных схем являются изломанность амплитудной характеристики (рис. 5.17) и трудность перестройки схемы при необходимости изменить значение у. Практически при настройке схемы на другое значение у приходиться подбирать значения резисторов Rl, R2, R3, R^I, Rr2, R^3. Поэтому в схемах такого типа предусматривается не плавное, а скачкообразное изменение значения у. Изломанность характеристики уменьшается за счет увеличения числа диодов.
В том случае, если необходимо изменять значения у в пределаху 1, применяют двухканальные корректоры (рис. 5.18), один канал которого обеспечивает у < 1, а другой — у > 1. Переход оту<1ку>1 можно осуществить в схеме переменой полярности диодов.
5.8. АПЕРТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ
И ВЫДЕЛЕНИЕ КОНТУРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Рассмотренные ранее апертурные искажения, вносимые передающей трубкой и кинескопом, выражаются в ухудшении резкости воспроизводимого изображения и снижении глубины модуляции яркости мелких деталей. Обычно основная доля этих искажений падает на передающую трубку, нормированная апертурная (частотно-контрастная) характеристика которой аппроксимируется выражением
Л'(ст) = еЧю/“е)\ (5.17)
где toe — временная частота, на которой глубина модуляции сигнала уменьшается в е раз.
Отметим, что апертурные искажения в отличие от других частотных искажений не сопровождаются фазовыми искажениями.
112
Очевидно, что апертурный корректор должен обладать частотной характеристикой, обратной К(а), т. е. = 1/Д<в). Тогда, разлагая выражение (5.17) в степенной ряд, получаем [5]
JfK(ro) = 1+(со/гое)2 +—(®/®е)4 +...
или в операторной форме
к jj>) = i-P2/<^e+^P4
где p=j(a.
Сигнал на выходе корректора
^вых <Р) = ^вх WK (j>) = UBK (р) - (7ВХ (р) р2/® 2 +
+ |^вх(7’)7'7®е4--
Преобразуя выходной сигнал в функцию времени, получаем
^ВЫх(0=г/вх(0-
1 J2t/BX(Z) , 1 d4t/„x(O со2 Л2 2ю4 Л4
(5.18)
Из формулы (5.18) следует, что апертурный корректор можно реализовать с помощью устройства, в котором исходный сигнал складывается в соответствующих пропорциях и полярностях с сигналами его четных производных.
На рис. 5.19 показаны формы напряжений, а на рис. 5.20 приведена структурная схема дифференциального апертурного корректора для случая, когда уравнение (5.18) ограничивается только двумя первыми членами. Исходный сигнал Г7ВХ, имеющий зону размытости Д1, после двойного дифференцирования и ограничения преобразуется в сигнал £7Д". В обратной полярности этот сигнал складывается с исходным. Результирующий
Рис. 5.19. Формы напряжений в дифференциальном апертурном корректоре
113
Рис. 5.20. Структурная схема дифференциального апертурного корректора
сигнал USbIX = U№~U£ имеет зону размытости А2<А1. Следует отметить, что полученный после коррекции сигнал обладает более широкой полосой частот, чем исходный, причем за счет увеличения высокочастотных составляющих спектра. В этом плане проведенную операцию можно рассматривать как дополнительное генерирование высокочастотных составляющих спектра и прибавление их к основному сигналу. Помимо дифференциальной существуют и другие способы апертурной коррекции [7, 54].
Из приведенного анализа следует, что с помощью операции простого дифференцирования исходного сигнала можно получить сигнал, несущий информацию о перепадах яркости преобразуемого изображения (кривые U? и С" на рис. 5.19). Такая операция получила название оконтуривания изображения. Существует «однополярное» оконтуривание, при котором получается черный или белый контур на противоположном по яркости фоне, и «двуполярное», когда линия контура черно-белая. Сигнал контурного изображения получается однократным (доя «однополярного» оконтуривания) или двойным (для «двуполярного» оконтуривания) дифференцированием исходного сигнала.
Выделить контуры изображения можно 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 перпендикулярных направлениях, вследствие чего простая строчная развертка в этом случае оказывается недостаточной. Существует ряд способов развертки изображения при полном оконтуривании, например развертка раздвоенными строками, переодическим изменением фокусировки изображения или формы апертуры и т. д.
Контурное изображение можно использовать непосредственно для опознания образа или сложить с исходным изображением. В последнем случае получается эффект «электронной ретуши». Подвергнутое такой операции изображение в отличие от рассмотренной ранее апертурной коррекции (коррекции резкости) имеет подчеркнутые переходы яркости. Соответ
114
ствующий результирующий сигнал Г7ВЫХ (см. рис. 5.19) приобретает один или два выброса (сверху и снизу), которые и создают эффект оконтуривания. Очевидно, что для этой цели необходимо увеличить соответственно сигналы U ’ и U".
В некоторых случаях целесообразно производить оконтуривание отдельных участков равной яркости. При этом контурные линии (изофоты) получаются при вырезании части сигнала, отвечающей заданному уровню яркости исходного изображения.
5.9. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ВИДЕОТРАКТА В СИСТЕМАХ С МАТРИЦАМИ ПЗС
Формирование видеосигнала в матричных телевизионных датчиках обладает определенными особенностями, которые необходимо учитывать при построении видеотракга. Одна из них заключается в том, что предварительный каскад усиления располагается непосредственно на кристалле матрицы и связан с ее выходным устройством. Выходное устройство преобразует зарядовый пакет в напряжение или ток и представляет собой схему с плавающей диффузионной областью (ПДО) или плавающим затвором (ПЗ) [44]. Каскад усиления представляет собой истоковый повторитель, изолированный затвор которого соединен с ПДО или ПЗ (рис. 5.21). Удаление зарядов из ПДО осуществляется транзистором сброса, на затвор которого подаются соответствующие импульсы сброса ИС. При их поступлении транзистор открывается, и ПДО подключается к фиксированному опорному напряжению U.
С внешнего нагрузочного резистора истокового повторителя сигнал подается на предварительный видеоусилитель. В качестве входного каскада ПУ рекомендуется применять широкополосные схемы, например двух-
Рис. 5.21. Схема предварительного каскада усиления матрицы ПЗС
Рис. 5.22. Схема входного каскада предварительного видеоусилителя
115
Рис. 5.23. Схема двойной коррелированной выборки (с) и формы напряжений в схеме (б)
транзисторную неинвертирующую схему с коэффициентом усиления К= 1 + R3/R2 (рис. 5.22). Используются также каскодные схемы и малошумящие полевые транзисторы.
Для улучшения частотных свойств и увеличения коэффициента усиления предварительного видеоусилителя входной каскад иногда строится на операционном усилителе с нагрузочным резистором в цепи обратной связи [45].
Видеосигнал, снимаемый с ПЗС, имеет дискретно-аналоговую форму за счет присутствия тактовых импульсов. При этом величина тактовой наводки может намного превышать полезный сигнал. Д ля подавления гармоник тактовых импульсов в состав видеотракта вводят фильтр нижних частот, ограничивающий спектр сигнала частотой /= 0,54 (fT — частота тактовых импульсов). При такой фильтрации спектр полезного сигнала не сокращается. В некоторых типах ПЗС для подавления тактовой наводки предусматри-
вается второй (дополнительный) выходной регистр, состоящий из элементов, аналогичных элементам основного регистра. Зарядовые пакеты во второй регистр не поступают, вследствие чего на его выходе образуется только сигнал тактовой частоты. Выходы обоих регистров подаются на дифференциальный усилитель, благодаря чему на выходе матрицы тактовые импульсы значительно ослабляются.
Специфическим устройством обработки сигнала в матричных передающих камерах является схема двойной коррелированной выборки (ДКВ). Схема ДКВ позволяет очистить сигнал от шумов, возникающих в канале транзистора сброса и остающихся в ПДО после окончания импульса сброса. Эти шумы суммируются с очередным зарядовым пакетом и затем проникают в видеосигнал. Устранение шумов в схеме ДКВ основано на разнесении во времени выборки шума, следующей за импульсом сброса, и сум
116
марного сигнала, включающего шум и полезную составляющую. Выборка шума совпадает по времени с импульсом фиксации , замыкающим ключ S1 (рис. 5.23, а), вследствие чего на емкости С1 запоминается значение шума. Отметим, что конденсатор С1 совместно с ключом S1 составляет управляемую схему фиксации нулевого уровня сигнала и, следовательно, осуществляет операцию восстановления его постоянной составляющей в моменты времени (рис. 5.23, б). Вслед за зафиксированной выборкой шума на емкость С1 поступает сигнал, шумовая составляющая которого при этом компенсируется. После установления полезного сигнала Uo импульсом выборки U2 замыкается ключ S2, и на кондесаторе С2 запоминается значение этого сигнала. В результате выходной сигнал UBfSX приобретает ступенчатую форму, причем тактовая наводка в нем отсутствует.
Глава 6. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ВИДЕОСИГНАЛА
6.1. ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В прикладной телевизионной технике возможности аналоговой обработки сигнала оказываются недостаточными для решения многих практических и особенно исследовательских задач. Это положение подтверждается, по крайней мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, усложнение и увеличение числа обрабатывающих 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 изображения, такие как пространственная фильтрация, геометрические преобразования, получение межкадровой разности и т. д., требуют использования для этих целей ЭВМ как универсального типа, так и специализированных. В первом случае применение цифровой техники позволяет максимально сохранить качество передаваемого изображения, во втором —использовать для обработки сигнала существующий и вновь создаваемый парк вычислительных машин, в том числе микропроцессоров и микроЭВМ.
Практически в большинстве случаев приходится иметь дело с передачей плоских, монохромных и неподвижных (в пределах одного кадра) изображений с яркостью L’ (х, у). Эта функция обычно бывает задана в ограниченной области (0, хтах) х (0, утах). Для представления в цифровой форме функцию яркости необходимо подвергнуть трем последовательным операциям — дискретизации, квантованию и кодированию.
Дискретизация изображения представляет собой преобразование вида
L'(x, у) -> L\kkx, l&y),
где k = 0, 1,..., N- 1 при N= xmax I txx, 1=0,1, .... M- 1 при M = ymax /Ду.
Таким образом, цифровое изображение представляет собой матрицу отсчетов вида/,'(Л, /)• Параметры Дх и Ду называются разрешающей способностью дискретизации по пространственным координатам.
Квантование и последующее кодирование изображения есть представление отсчетов матрицы «-разрядным двоичным кодом. При квантовании изображения каждому элементу матрицы присваивается ближайший разрешенный уровень яркости (например, нижний), число которых равно = 2”1. В результате этой операции получается так называемый шум квантования, равный для линейной шкалы уровней
5£ = £^к/[2(2т-1)].
Операция кодирования представляет собой преобразование квантованных значений отсчетов матрицы в соответствующие им кодовые комбинации.
В телевизионной технике (в от личие, например, от фотографии) двумерное оптическое изображение передается с помощью одномерного элек
118
трического сигнала. Это позволяет операции дискретизации и квантования производить не на исходном изображении, а на электрическом сигнале (видеосигнале), что оказывается намного проще. Операция дискретизации в интервале длительности кадра Гк представляется тогда в виде U(t) -> U(k&), где = О,1,..., TV- 1 при TJ М.
Шаг дискретизации AZ выбирается на основе теоремы Котельникова: Л.1 = 1 / (2^), где 4 — верхняя граничная частота спектра передаваемого сигнала.
Выбор шага дискретизации по Котельникову гарантирует сохранность в дискретном представлении видеосигнала всей информации о его спектральном составе.
После квантования видеосигнала по уровням каждому отсчету присваивается своя кодовая комбинация, т. е. в целом осуществляется преобразование, получившее название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Графическая интерпретация цифрового кодирования для трехразрядного кода, которому соответствует N() = 23 = 8 уровней квантования (3 бит/ элемент), представлена на рис. 6.1 [57]. На рисунке обозначены: Um — напряжение исходного аналогового сигнала; — напряжение_сигнала после дискретизации; UK — напряжение квантованного сигнала; U — напряжение кодированного сигнала.
Перейдем теперь к количественной оценке шага (частоты) дискретизации и числа уровней квантования. При верхней частоте стандартного телевизионного сигнала, равной примерно 6 МГц, частота дискретизации будет 12 МГц, т. е. Az « 83 нс. Очевидно, что за это время должна быть передана вся кодовая комбинация.
Выбор числа уровней квантования диктуется назначением системы. При передаче полутоновых изображений замена непрерывного сигнала квантованным приводит к появлению на приемном конце ступенчатых перепадов яркости, что может в свою очередь вызвать искажения в воспроизводимом изображении, например, смещение границ крупных деталей (появление «ложных контуров»). Число уровней квантования должно быть достаточным с точки зрения незаметности подобных искажений, а также должно быть согласовано с числом воспроизводимых системой градаций яркости &Lnop. Многочисленными экспериментами показано, что для получения высококачественного изображения необходимо выбрать около 128 уровней квантования, т. е. иметь информационную емкость отсчета 7 бит/элемент, а в некоторых случаях — 256 уровней (8 бит/элемент). При передаче цветных изображений недостаток числа уровней квантования приводит к нарушению цветопередачи.
Если считать, что в кадре содержится 500 000 элементов, а длительность кадра составляет 40 мс, то для No = 256 цифровой поток (пропускная способность канала связи) окажется равным 100 Мбит/с. Для передачи такого мощного цифрового потока требуется создание специальных каналов связи, что в значительной степени сдерживает внедрение цифровых методов в телевизионном вещании. В связи с этим необходимо отметить, что телевизионная система обладает, как правило, большой информационной избыточностью за счет наличия тесных статистических связей соседних элементов изображения. Учитывая это, можно уменьшить информационную избыточность и, таким образом, «сжать» телевизионное сообщение. По
119
Рис. 6.1. Графическая интерпретация операций дискретизации, квантования и кодирования видеосигнала
отношению к цифровым системам это означает, что следует искать и применять более эффективные способы кодирования, чем ИКМ.
В заключение отметим, что цифроваятелевизионная система относится к разряду весьма широкополосных систем. Полоса частот цифровой системы возрастает примерно на порядок по сравнению с аналоговой. Можно считать, что в цифровой системе происходит обмен на полосу частот динамического диапазо! ia входного сигнала, который приобретает только два уровня.
120
6.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА
Задачи, решаемые телевизионными системами с цифровой обработкой изображения, весьма разнообразны, В соответствии с назначением цифровые телевизионные системы (ЦТВ) можно условно разделить на три основные группы. К первой группе относятся системы для решения особенно сложных научных проблем. Центральной частью этих систем является ЭВМ общего назначения. Ко второй группе относятся универсальные системы, предназначенные для решения широкого круга задач обработки изображений. Эти системы часто также используются для научных исследований. К третьей группе можно отнести системы, предназначенные для работы в промышленности и способные обрабатывать 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 отдельных случаях и вычислителя с жесткой логикой. Промышленные ЦТВ широко применяют в качестве систем технического зрения (СТЗ) роботов, служащих для автоматического контроля изделий, а также осуществления сборочных и ряда других технологических операций. В зависимости от сложности задачи СТЗ выполняют операции обнаружения, опознавания, классификации и измерения параметров контролируемых объектов.
К числу задач, решаемых обзорными ЦТВ, относятся анализ клеток в биомедицинских исследованиях, устранение шумов и помех в изображениях, получаемых от межпланетных станций, отделение д вижущихся объектов от фона, распознавание образов 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 получателю. К системам такого типа относятся промышленные ЦТВ. Во втором случае обработка изображения ведется длительное время, в зависимости от сложности задачи — минуты и десятки минут. Все это время исходное изображение находится в памяти системы. Таким образом, например, обрабатываются фотоснимки, получаемые со спутников.
Существует понятие предварительной обработки изображения. Это различные операции по преобразованию исходного изображения, в результате которых улучшается его качество. Преобразованное изображение может быть конечной целью обработки, а также являться исходным для дальнейшего автоматического анализа. Понятие предварительной обработки часто связывается с понятием реставрации изображения, т. е. освобождения исходного изображения от различного рода искажающих факторов, к числу которых относится явление скоростного смазывания, шумы, нелинейность в системе сканирования, искажающее влияние среды и т. д. В общем случае исходное и реставрированное изображения связаны между собой через преобразующее звено с передаточной функцией T[f(k, /)]. Эта функция должна отражать преобразования, обратные искажающим преобразованиям. Следует отметить, что в аналоговых системах такие задачи решаются с помощью различных корректоров (частотных, градационных) или под-
121
Рис. 6.2. Структурная схема цифровой телевизионной системы
бором соответствующего режима работы системы, например режима импульсного экспонирования фотопреобразователя, практически устраняющего явление скоростного смазывания.
На рис. 6.2 представлена общая структурная схема ЦТВ, предназначенной для решения различного рода задач, определяемых алгоритмом обработки данных в ЭВМ. Видеосигнал в цифровой форме формируется на выходе телевизионного датчика ТД, в состав которого входит объектив О, передающая трубка Я7’(матрица ПЗС), генератор развертки ГР, синхрогенератор СТ, видеоусилитель ВУс каскадами аналоговой обработки, включая формирование полного телевизионного сигнала, и преобразователь «напряжение — код» ПНК. Для контроля изображения при ориентировании ТД и наведения его на объект служит видеоконтрольное устройство ВКУ(СИ, ГИ, ТИ— синхронизирующие, гасящие и тактовые импульсы соответственно).
Кодированный сигнал с выхода Ш/А-поступает в буферное запоминающее устройство БЗУ, предназначенное для организованного ввода информации в ЭВМ. Ввод информации осуществляется с помощью устройства ввода УВ, представляющего собой параллельный интерфейс. Перед БЗУможет дополнительно устанавливаться преобразователь стандартов, согласующий скорости поступления информации из ТДс быстродействием ЭВМ. По команде из ЭВМ, предусмотренной специальной программой, УВ переводит информацию из БЗУв ЭВМ, после чего в ней осуществляется обработка данных по основной программе с выдачей результатов в устройство регистрации УР. При необходимости УР можно заменить следящим устройством, воздействующим на поворотное устройство ТД.
При решении различных задач обработки изображений устройство регистрации состоит из преобразователя «код — напряжение» и второго ви-деоконтрольного устройства, на котором наблюдается обработанное изображение. Последнее может также воспроизводиться на первом ВКУ, что удобно при сравнении исходного и обработанного изображений.
К наиболее сложным задачам, решаемым ЦТВ, относятся задачи распознавания и классификации изображений. Алгоритм распознавания включает в себя предварительное составление словаря признаков классов, в который отбираются только наиболее информативные признаки, обла
122
дающие достаточными разделительными свойствами, описание классов на языке признаков и выбор меры близости опознаваемого изображения с каждым классом. Мера близости и является критерием отнесения изображения к тому или иному классу.
6.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ «НАПРЯЖЕНИЕ — КОД»
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью любых цифровых систем передачи информации. По характеру преобразуемой величины АЦП подразделяются на преобразователи «напряжение — код», «фаза — код», «частота — код», «время — код» и т. д. В телевизионных цифровых системах преимущественно используются АЦП «напряжение — код», причем преобразуемое напряжение поступает от передающей трубки (матрицы ПЗС) или из видеомагнитофона. АЦП выполняет следующие функции: дискретизацию видеосигнала по времени, квантование видеосигнала по динамическому диапазону и преобразование полученных отсчетов в двоичный код.
К телевизионным АЦП в большинстве случаев пред ъявляется требование высокого быстродействия. Оно обусловлено широкой полосой коди-
руемого сигнала, частота дискретизации которого, как уже отмечалось, составляет около 12 МГц (период дискретизации 7^=83 нс). Однако в малокадровых системах различного применения требования к быстродействию могут быть значительно ниже.
Существует несколько принципов построения преобразователей «напряжение — код» [16]. Отметим среди них ПНК последовательного и параллельного типов. ПНК последовательного типа строятся только на одном компараторе (пороговом устройстве), включают в себя относительно малое число элементов, отличаются малым быстродействием. В основе его построения наиболее часто используется принцип промежуточного преобразования напряжений во временной интервал, который затем преобразуется в двоичный код.
Наибольшим быстродействием обладают ПНК параллельного типа. Для их построения требуется большое число элементов, особенно при значи-
тельном числе уровней квантования, что при современном уровне развития интегральной технологии не является препятствием.
На рис. 6.3 показана структурная схема ПНК параллельного типа, рассчитанная на No = 2" уровней квантования и выдающая сигнал в т-разрядном двоичном коде.
Напряжение входного сигнала подвергается дискретизации в устройстве выборки и хранения отсчетов (УВА).
Рис. 6.3. Структурная схема параллельного преоб-разователя «напряжение — код»
123
Рис. 6.4 Схема (а) и эпюры напряжений (б) в устройстве выборки и хранения отсчетов
Процесс выборки в нем осуществляется с помощью схемы И, на второй вход которой подаются импульсы дискретизации UR(t) (рис. 6.4, а) [57]. Длительность импульсов дискретизации т должна быть возможно меньше, чтобы, во-первых, за это время аналоговый сигнал не мог существенно измениться и. во-вторых, оставалось достаточное время для последующего квантования и кодирования сигнала. Хранение полученного отсчета осуществляется с помощью емкости С. Из рис. 6.4, Обидно, что существует динамическая погрешность преобразуемого сигнала [7вх( Тд), являющаяся следствием того, что переход от режима выборки к режиму хранения происходит не скачкообразно. Эта погрешность при полосе частот сигнала 6 МГц и постоянной времени накопительного фильтра 1 нс составляет около 2 % от напряжения на безынерционном накопителе [7’вх( 7Д.
Дискретизированный сигнал (см. рис. 6.3) подается в блок компараторов К(, число которых равно числу уровней квантования. Порог срабатывания каждого компаратора устанавливается делителем эталонного напряжения Us. Входной сигнал подается одновременно на все компараторы. Те компараторы, порог срабатывания которых оказался ниже входного сигнала, устанавливаются в единичное состояние, остальные остаются в нулевом состоянии. На выходе блока компараторов образуется сигнал в виде так называемого параллельного единичного кода, т. е. кода с основанием единица [16]. Отметим, что этот код является наиболее простым и помехоустойчивым, поскольку он отличается одинаковым весом всех разрядов. Единичный код может быть последовательным и параллельным. Последовательный единичный код получается в АЦП последовательного типа с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал, заполняемый тактовыми импульсами. Преобразование этого кода в обыкновенный двоичный производится с помощью счетчиков, как будет показано ниже. Для преобразования параллельного единичного кода в двоичный строятся специальные шифраторы, имеющие достаточно сложную структуру [16].
124
Для предотвращения ошибок, связанных с нестабильностью входного напряжения во время работы компараторов, между ними и шифратором помещается регистр хранения кода, который жестко фиксирует состояние единичного кода в определенный момент времени и хранит это состояние в течение всего времени работы шифратора.
Анализ приведенной схемы подтверждает, что параллельный ПНКтре-буетдля своего осуществления значительного количества элементов, число которых приходится увеличивать с увеличением быстродействия и точности устройства. Тем не менее, достижения современной технологии позволяют кодировать сигналы с частотой дискретизации до 100 МГц и более.
В узкополосных телевизионных системах можно использовать преобразователи последовательного типа, широко применяемые в оптико-электронной технике. Отличительной особенностью последовательного АЦП является то, что выходной цифровой сигнал, отвечающий данному уровню дис-
125
кретизированного аналогового сигнала, формируется в нем путем изменения от нуля до конечного значения, последовательно увеличиваясь с приходом каждого счетного (тактового) импульса.
Варианты построения последовательных преобразователей «напряжение — код» чрезвычайно разнообразны, однако большинство из них основаны на принципе преобразования входного напряжения в промежуточную аналоговую величину, которая затем преобразуется в код. Рассмотрим схему ПНК, в которой напряжение предварительно преобразуется во временной интервал (рис. 6.5).
Запускающие импульсы, следующие с частотой дискретизации сигнала 6^(0, подаются на генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛН, работающий в ждущем режиме, устройство выборки и хранения УВХ и триггер Т Напряжение дискретизированного сигнала и импульсы с выхода ГЛН подаются на компаратор К. В момент срабатывания компаратора триггер опрокидывается. Формируемый им импульс длительностью 7* открывает схему совпадения СС, на второй вход которой подаются импульсы от генератора счетных импульсов ГИ. Таким образом, преобразование полученного интервала времени Тх в двоичный код производится счетчиком путем последовательного заполнения этого интервала счетными (тактовыми) импульсами, следующими с постоянной частотой.
Напряжение на выходе ГЛН Un - Uo + at, где Uo — начальный уровень линейно изменяющегося напряжения; а — скорость изменения напряжения.
Поскольку при = UBX(TJ имеем t = Тх, то
T^W^-U^/a,
а число импульсов, поступающих на счетчик,
л = ?;/Г0=[Е7вх(7д)-С70]/аГ0,
где То — период тактовых импульсов.
Для максимального значения входного напряжения будем иметь Тх- Тхтах ип= wmax’ причем итах = No -2"', где Nq — коэффициент пересчета т-разрядного счетчика.
Ошибка преобразования в рассматриваемом устройстве будет складываться из ошибок преобразования «напряжение — временной интервал» и «время — код». Первая из этих ошибок будет включать в себя три составляющие:
1) составляющую, зависящую от нестабильности начального уровня напряжения Uo, ДТ0 = - ts.U0/ а;
2) составляющую, зависящую от нестабильности скорости изменения напряжения а,
АТ ивх(ТдУ-и0
=--------------Ла-;
а2
3) составляющую, определяемую нелинейностью пилообразного напряжения, А Тп - A UH / а, где A UH — максимальная разность между реальной кривой напряжения и аппроксимирующей ее наклонной прямой.
126
Указанная разность связана с коэффициентом нелинейности пилообразного напряженияун соотношением А(7н«ун / 8, причем
7Н=(ИН-ИК)/ИН,
где V- dU / dt — скорость нарастания напряжения, взятого для начала и конца временного интервала Тх.
Погрешность преобразования временного интервала в двоичный код складывается из погрешности дискретизации, обусловленной шумами квантования, и погрешности, зависящей от нестабильности частоты тактовых импульсов.
Из анализа работы схемы следует, что появление каждого последующего импульса на входе счетчика является результатом перехода к новому, более высокому, уровню квантования дискретизированного аналогового сигнала U^T^. Если старт- и стоп-импульсы, ограничивающие интервал времени Тх и опрокидывающие триггер, произвольно и равновероятно располагаются относительно счетных импульсов, то появляются две составляющие ошибки преобразования — и 8/2 (рис. 6.5, б), причем максимальная результирующая ошибка дискретизации будет равна 8/тах = ± То. Погрешность воспроизводимого аналогового сигнала может при этом составить один полный шаг квантования.
Следует отметить, что погрешность 8^ является положительной, так как благодаря ей преобразуемый интервал оказывается больше действительного, а 8/2 — отрицательной, поскольку из-за нее временной интервал получается меньше Тх. При этом истинное значение преобразуемого временного интервала равно
7;=иГ0~8Г1+8г2.
Суммарный закон распределения обеих ошибок при условии, что каждая из них подчиняется прямоугольному закону распределения, имеет вид равнобедренного треугольника с высотой 1 /7q и основанием 2Г0. Отсюда следует, что среднеквадратическая погрешность преобразования будет равна <т=7^Д/б.
Значение среднеквадратической погрешности можно уменьшить, осуществляя синхронизацию импульсов дискретизации (старт-импульсов) с тактовыми импульсами. В этом случае погрешность 8/, становится равной нулю, а результирующая ошибка, подчиняющаяся теперь прямоугольному закону распределения, о = То /(2^/3) , что в ^2 раз меньше, чем при отсутствии синхронизации. Задача синхронизации решается применением делителя частоты тактовых импульсов Д(рис. 6.5, а).
Ошибка 6/2 является принципиально неустранимой, однако ее значение можно уменьшить с помощью различных методов и схем. Рассмотрим схему, получившую название электронного нониуса (рис. 6.6). Помимо основного счетчика (счетчика 1рубого отсчета) в ней используется вспомогательный (нониусный) счетчик. Старт-импульсы, синхронизированные с помощью делителя Дс тактовыми импульсами, запускают триггер 77. Остановка триггера осуществляется произвольно расположенными во времени стоп-импульсами, которые одновременно через триггер Т2 запускают возбуждаемый нониусный генератор НГ. Импульсы с выхода НГ по-
127
Рис. 6.6. Структурная схема (а) и эпюры напряжений (б) в электронном нониусе
ступают на вспомогательный счетчик и на схему совпадения СС2. При совпадении импульсов, поступающих с ГИп l/Гко времени, триггер Т2останавливается, и генерация нониусных импульсов прекращается.
Таким образом, измеряемый интервал времени с точностью до А Т~ = То - Тн , где Тн — период нониусных импульсов, составляет
Д.=«ГО + (ГО-ТН)«Н
(здесь пн — число импульсов, регистрируемых нониусным счетчиком).
В схеме электронного нониуса повышенные требования предъявляются к стабильности вспомогательного генератора, который по принципу действия является обьино менее стабильным, чем основной. Длительности импульсов обоих генераторов должны быть не менее АД так как
128
в противном случае может не произойти совпадения импульсов. С другой стороны, при длительностях импульсов, больших АГ, может произойти не одно, а два совпадения.
Ошибка преобразования «время — код» зависит также от стабильности частоты генератора тактовых импульсов В качестве /7/применяются кварцевые генераторы, имеющие коэффициент нестабильности р w 10~6 -ь10-7. Увеличить стабильность частоты на один или два порядка можно за счет тер-мосгатирования кварца и стабилизации источника питания. Очевидно, что наибольшая ошибка преобразования получится, если преобразуется максимальный временной интервал 7^.тах, которому соответствует лтах тактовых импульсов. Если задаться условием, чтобы ошибка из-за нестабильности частоты ГИ была одного порядка с ошибкой дискретизации, т. е. не превышала единицы младшего разряда, то р < 1 / ятах или Р То / Тхтах.
Отсюда можно определить максимальный временной интервал, который допустимо преобразовать с указанной точностью при заданных значениях параметров Р и Го.
6.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ «КОД — НАПРЯЖЕНИЕ»
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) служат для связи цифровых вычислительных устройств с аналоговыми устройствами, например кинескопами. Среди ЦАП в телевизионной технике наибольшее распространение получили преобразователи «код —напряжение» (ПКН). Принцип преобразования двоичного кода в напряжение вытекает из уравнения, представляющего код в виде суммы
П = <7О2° + а222 +... + am_12m"1,
где значения а равны 0 или 1; m — число разрядов.
Отсюда следует, что принцип преобразования заключается в суммировании аналоговых величин, которые соотносятся друг к другу как целые степени числа 2 при at =1.
Все ПКН можно разделить натри группы [30]: 1) ПКН последовательного действия; код в них подается на преобразователь последовательно, начиная с младшего разряда; 2) ПКН параллельного действия; все разряды кода одновременно поступают на схему суммирования; при этом суммирование напряжений и токов происходит с учетом весов разрядов; входной сигнал должен присутствовать в течение всего времени преобразования; 3) ПКН с промежуточным преобразованием входного кода; здесь код сначала преобразуется в промежуточный сигнал (например, в широтноимпульсный или число-импульсный), а затем уже — в напряжение; такие ПКН отличаются большей простотой и низкой скоростью преобразования.
Отметим, что преобразователи первой и второй групп являются преобразователями прямого действия.
В современной аппаратуре управления и контроля наибольшее распространение получили преобразователи параллельного действия, обладающие высокой скоростью и большой точностью преобразования.
На вход ПКН в дискретные моменты подаются коды, отвечающие требуемому значению аналоговой величины. Подача происходит, например,
Рис. 6.7. Структурная схема параллельного преобразователя «код — напряжение»
из регистров, в которых хранится код, или из других устройств. На выходе ПКН формируется ступенчатая функция, причем каждая ступенька сигнала адекватна соответствующему уровню квантования исходного сигнала.
Быстродействие преобразователя характеризуется временем установления выходного напряжения после подачи кода. Оно складывается из времени срабатывания триггера регистра и времени переходного процесса в переключателях и выходном усилителе постоянного тока.
В качестве примера рассмотрим устройство параллельного ПКН с весовыми резисторами (рис. 6.7). Исходный двоичный код поступает на триггеры 7’и в зависимости от цифры в данном разряде (0 или 1) резисторы R( подключаются соответствующими ключами К либо к источнику эталонного напряжения Us, либо к шине «корпус». Сопротивления резисторов подчиняются двоичному закону
Rt =
где R — некоторое базовое сопротивление.
Выходное сопротивление схемы без учета влияния нагрузки RH и при равенстве нулю внутреннего сопротивления эталонного источника является постоянным, не зависящим от преобразуемого кода,
1 _2т”1/?
Лвых - т - j >
Si
i=l
где gt — проводимость разрядов, = 1 /Ау.
Сопротивление 7^ых с увеличением числа разрядов приближается к значению R / 2.
Напряжение на выходе преобразователя определяется выражением
ТТ = U^gj = ^9(gi +g2+
LSi +gH gi +g2 + ... +gm +gH
где gH — проводимость нагрузки, = 1/7?H.
130
С учетом значений gt и gK получаем
и х Y 1
““ Я„Птах +2т-1Л Ь 2‘
или
и -----------------п
ВЬЖ ЛнПтах+2т-1/?
где П = а0 2° + aj 21 + а2 22 + ... + ат_ j 2т“1 — десятичный эквивалент преобразуемого двоичного кода; Пгаах = 2m - 1 — максимальное значение двоичного кода.
Из полученного выражения следует, что выходное напряжение преобразователя пропорционально значению двоичного кода.
При большом числе разрядов т кода в схеме получается широкий диапазон номиналов резисторов, максимальный перепад которых составляет 2m -1, и соответствующий диапазон рассеиваемых мощностей. Это затрудняет получение точных соотношений между сопротивлениями резисторов, особенно при изменении внешних условий. В подобных случаях можно применять преобразование отдельных групп разрядов кода с последующим объединением их выходных напряжений.
Глава 7. РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ И СИНХРОНИЗИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
7.1. ГЕНЕЕАТОРЫ КАДРОВОЙ И СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ ДЛЯ ВИДЕОКОНТРОЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Для осуществления линейного отклонения электронного луча в передающих трубках и кинескопах служат генераторы кадровой (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 обусловлено большой разницей в частотах кадровой и строчной разверток и, как следствие, большой разницей реактивных мощностей, циркулирующих в соответствующих отклоняющих катушках, при близких по величине значениях энергии. Согласно существующему стандарту на вещательное телевидение, частота кадровой развертки составляет 50 Гц, а строчной — 15 625 Гц.
Определенными отличиями обладают также генераторы, обеспечивающие работу кинескопов и передающих трубок. В первую очередь это касается требований, предъявляемых к линейности и стабильности отклонения луча, которые для передающих трубок намного выше, чем для кинескопов. Особенно высоки эти требования в измерительных телевизионных системах.
Рассмотрим особенности работы и построения генераторов разверток, выполняющих различные функции.
ГЕНЕРАТОРЫ КАДРОВОЙ РАЗВЕРТКИ
Генераторы кадровой развертки работают на низких частотах, вследствие чего реактивная мощность, развиваемая в катушках, незначительна. Это позволяет использовать в выходных каскадах генераторов развертки однотактные усилители, работающие в линейном режиме, либо двухтактные усилители.
Общая структурная схема генератора кадровой развертки изображена на рис. 7.1. Схема состоит из задающего каскада ЗГ, синхронизируемого кадровыми синхроимпульсами, генератора пилообразного напряжения ГПН, предварительного усилителя ПУ и выходного каскада ВК Как пра-
Рис. 7.1. Структурная схема генератора кадровой развертки
132
вило, последние звенья охватываются обратной связью, назначение которой зависит от принципа построения выходного каскада. В некоторых случаях функции задающего генератора и генератора пилообразного напряжения совмещают в одном каскаде. Предварительный усилитель может отсутствовать.
Основным звеном, регламентирующим работу схемы, является выходной каскад. Выходные каскады кадровой развертки строятся либо по трансформаторной схеме, либо с непосредственной связью отклоняющих катушек с активным элементом. Бестрансформаторный вариант требует применения в выходном каскаде транзисторов с относительно малым выходным сопротивлением. Отличительной 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 любых отклоняющих катушек с выходным сопротивлением транзистора. В трансформаторной схеме исключается прохождение постоянной составляющей коллекторного тока через отклоняющие катушки, что приводит к смещению растра по вертикали.
Рассмотрим работу трансформаторной схемы выходного каскада кадровой развертки на основе анализа его эквивалентной схемы для переменных токов и напряжений (рис. 7.2, а). В этой схеме обозначены: гх— активное сопротивление первичной обмотки трансформатора; LA - индуктивность рассеяния первичной обмотки; L{ — индуктивность намагничивания (индуктивность первичной обмотки); Z'j2 = л2 и г '2 = г2 / л2— приведенные
Рис. 7.2. Полная (а) и упрощенная (б) эквивалентная схемы выходного каскада кадровой развертки с трансформаторным выходом
133
Рис. 7.3. Идеализированная кривая тока в кадровой отклоняющей катушке
к первичной обмотке значения индуктивности рассеяния и активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора; L'K = LK / л2, г 'к = гк / п2 и С '0 = Со п2 — индуктивность, сопротивление и паразитная емкость отклоняющих катушек соответственно, приведенные к первичной обмотке трансформатора (в формулах приведения коэффициент трансформации подразумевается равным и = 5/L2/L1 ).
Для нахождения формы и значения коллекторного тока zT во время прямого (рабочего) хода развертки Тр в целях получения в отклоняющей катушке тока пилообразной формы эквивалентную схему упрощают, пренебрегая в ней элементами L'K , Lsl, L's2 и С'о , как не оказывающими существенного влияния на коллекторный ток во время прямого хода развертки, имеющего относительно большую длительность по сравнению с обратным ходом (рис. 7.2, б).
Выражение для силы тока в катушке во время прямого хода задается в виде функции (рис. 7.3)
iK(0 = / гр - 1 / 2) ПРИ 0 гр»
где 1кт— полный размах тока в катушках.
Тогда в результате анализа схемы (рис. 7.2, б) с учетом постоянной составляющей получим значение коллекторного тока /т = iL + i 'к:
при 7^/ Гр<0,5
'т = А^^('/^р)2м«(^р/27^-1)^г+^-(7^/Гр +Гр/47^,-1); (7.1) 2/^ 2р 2
при Т^/ Гр >0,5
= ““('/^р)2 - 4 и«(4/24р - (7-2)
24р Тр
где Т^р — постоянная времени первичной обмотки трансформатора, Т -= Lv/r'H (здесы'н = г'2 + г'к).
Постоянная составляющая тока в выражениях (7.1) и (7.2) выбрана та
134
кой, чтобы в любой момент времени ток zT не принимал отрицательных значений. При t = Тр получаем максимальное значение коллекторного тока:
при 7^/7^, <0,5
1„тП 1тт=^-^/Тр+Тр/^+1У, (7.3)
при Г^/ Гр£0,5
(7.4)
Из выражений (7.3) и (7.4) найдем необходимый коэффициент трансформации:
при Г^/Гр<0,5
2Z
л = -^-(Г1р/Гр+Гр/4Гтр+1);
'ки
при 7^/Гр £0,5
Из выражений (7.1) и (7.2) следует, что наличие индуктивности в цепи нагрузки транзистора приводит к появлению в коллекторном токе помимо пилообразной также и параболической составляющей, численное значение которой зависит от постоянной времени трансформатора 7^, (рис. 7.4). При этом в случае Г^ < 0,5 Гр кривые коллекторного тока на участке прямого хода развертки имеют провал, величина которого возрастает с уменьшением отношения 7^ / Гр. В случае Г^ £ 0,5 Тр кривые имеют только прогиб, уменьшающийся с увеличением Т / Т . Анализ постоянной составляющей коллекторного тока и его максимального значения показывает, что наиболее эффективно выходной транзистор будет использоваться при условии, если Г^/ Гр = 0,29 + 0,50.
Напряжение на коллекторе транзистора во время прямого хода развертки определяется из эквивалентной схемы (см. рис. 7.2, а) согласно UK э= -Ео + U*.
Рис. 7.4. Кривая коллекторного тока при отношениях T^JT., равных 0,05 (7);0,1 (2); 0,5 (7)
Рис. 7.5. Кривая напряжения на коллекторе транзистора выходного каскада
135
^к.э = ~Е0 +V1 +гкгн +(-^к +-г'л)“ + ^1“> (7.5)
at dt
где Ео — напряжение источника питания.
Из формулы (7.5) следует, что напряжение на нагрузке имеет пилообразно-параболическую и импульсную составляющие (рис. 7.5), причем последняя обусловлена наличием индуктивностей £'к, Es2 и Ьл. Однако на участке прямого хода развертки эта составляющая обычно невелика.
Во время обратного хода развертки форма тока в катушке, а следовательно, и форма коллекторного тока не играют особой роли, но зато существенное значение приобретает напряжение на нагрузке, импульсная составляющая которого благодаря малой длительности обратного хода может оказаться очень большой. Напряжение этой составляющей во время обратного хода имеет отрицательный знак и складывается с напряжением источника питания.
Таким образом, для получения линейной развертки изображения транзистор, работающий в выходном каскаде, должен обеспечить форму и величину коллекторного тока и соответствующее напряжение на нагрузке, отвечающее уравнениям (7.1)— (7.5). Это можно осуществить с помощью частотно-зависимой обратной связи, вносящей необходимое предыскажение в управляющее напряжение, подаваемое на вход оконечного каскада. При этом напряжение с выхода оконечного каскада подается через цепь частотно-зависимой обратной связи на вход предварительного усилителя, где складывается с пилообразным напряжением (см. рис. 7.1). Изменяя соотношение между обеими составляющими (пилообразной и параболической), можно добиться практически линейного тока в отклоняющих катушках.
Рис. 7.6. Схема выходного каскада кадровой развертки с защитной цепью
136
При построении выходного каскада необходимо ограничить всплеск напряжения на коллекторе транзистора во время обратного хода развертки, таккак подобное перенапряжение может вывести транзистор из строя. В схеме, изображенной на рис. 7.6, для этой цели используют диод и цепочку R 'С. Во время обратного хода развертки большое отрицательное напряжение на коллекторе транзистора открывает диод и заряжает конденсатор С. Одновременно шунтируется коллектор транзистора, что предохраняет его от пробоя. Во время прямого хода конденсатор медленно разряжается через большое сопротивление резистора R' и источник питания, причем диод остается закрытым, так как напряжение на конденсаторе оказывается много большим напряжения источника питания.
Бестрансформаторные выходные каскады кадровой развертки строятся, как правило, по двухтактной схеме [6, 59]. Двухтактные каскады могут выполняться на транзисторах одного или разного типов проводимости. Пример построения двухтактного выходного каскада кадровой развертки на однотипных транзисторах VT4 и VT5 приведен на рис. 7.7 [6]. На этой схеме показан предварительный усилитель, выполненный на разнополярных транзисторах VT2 и VT3. Схема работает следующим образом. Входной пилообразный сигнал после усиления каскадом, собранным на транзисторе VT1, поступает на базы транзисторов предварительного усилителя. Транзистор VT2 включен по схеме с общим коллектором, а транзистор И73 — по схеме с общим эмиттером, вследствие чего на базы обоих транзисторов выходного каскада напряжения поступают в противофазе, что обеспечивает их работу в двухтактном режиме. Во время работы транзистора VT4 током, протекающим через отклоняющие катушки, заряжается конденсатор С1. Напряжение на конденсаторе является источником питания для транзистора VT5, который формирует вторую половину прямого хода пилообразного тока. Таким образом, двухтактный выходной каскад потребляет энергию от источника питания только в течение одного полупериода развертки. Во время обратного хода развертки на отклоняющих катушках
Рис. 7.7. Двухтактная бестрансформаторная схема выходного каскада кадровой развертки с предварительным усилителем
137
так же, как и в трансформаторной схеме, возникает значительный отрицательный всплеск напряжения.
Следует отметить, что в двухтактном каскаде благодаря нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзисторов может возникнуть нелинейность середины прямого хода развертки. Устранить или уменьшить это явление можно тщательным подбором напряжения смещения обоих транзисторов.
Как видно из приведенной схемы, в выходном каскаде используется обратная связь, сигнал которой подается через конденсатор С2 в точку между резисторами R2 и R3. Благодаря этому напряжение в данной точке возрастает на величину положительной части импульсного сигнала, что повышает напряжение питания транзистора VT1 и приводит к сокращению длительности обратного хода развертки.
Напряжение источника питания выходного каскада определяется выражением:
E=U + U' + IU, (7.6)
г L ост ’ v '
где Ur — размах пилообразной составляющей напряжения на катушках от тока, протекающего через каждый транзистор, Ur + ZK mrK /2; UL — импульсная составляющая напряжения во время обратного хода развертки длительностью , UL = - LKIK m I Го6; t7OCT— остаточное напряжение на каждом из транзисторов выходного каскада при максимальном токе.
Из выражения (7.6) следует, что длительность находится в обратной зависимости от напряжения источника питания
Если напряжения источника питания не хватает, то кадровые отклоняющие катушки целесообразнее включить параллельно, чем снизить их общее сопротивление и индуктивность. При этом отклоняющий ток увеличится в два раза. Действительно, при последовательном включении катушек (без учета t7OCT)
Г у Т Т
у-, лкт’к _--------1-----
2 Гоб
а при параллельном —
j-,. т
Д — ——-—- + ----—,
4 27^
т. е. для получения той же длительности обратного хода при параллельном включении катушек необходим источник питания, меньший по напряжению в два раза.
Мощность, выделяемую в отклоняющих катушках, можно подсчитать при условии Гр + Го6« Гр по формуле
Т г р
2Р о
Л
12
138
Мощность, рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора, составляет величину
I ( 2 А
Р = -^4 и -—и g I З г7’
где Um — максимальное напряжение на коллекторе, причем для транзистора, открытого во время обратного хода, Um = UL + Ur, а для транзистора, закрытого во время обратного хода, Um = t7OCT + Ur.
Рассмотрим теперь генератор кадровой развертки с бестрансформатор-ным выходом, собранный на одной интегральной схеме [63]. Генератор, структурная схема которого представлена на рис. 7.8, построен на интегральной микросхеме К174ГЛ1. В состав генератора входят схема синхронизации СС, задающий генератор ЗГ, генератор пилообразного напряжения ГПН, буферный каскад БК, предварительный усилитель ПУ, усилитель мощности УМ, а также схема формирования обратного хода ФОХ и стабилизатор напряжения СП.
Задающий генератор представляет собой релаксационный автогенератор, работающий в режиме внешней синхронизации, осуществляемой кадровыми синхроимпульсами. Собственная частота задающего генератора подстраивается резистором R1. Прямоугольные положительные импульсы с задающего генератора подаются на генератор пилообразного напряжения, зарядная цепь которого состоит из резистора R2 и конденсаторов С2 и СЗ. На среднюю точку между этими конденсаторами через переменный резистор R3 подается напряжение обратной связи, снимаемое с выхода буферного каскада, чем осуществляется S-коррекция пилообразного напряжения. Последняя, как указывалось в п. 4.1, необходима для линеаризации
КСИ
Рис. 7.8. Структурная схема генератора кадровой развертки на интегральной микросхеме
139
отклонения луча в широкоугольных кинескопах, связанной с ликвидацией геометрических искажений растра.
С выхода буферного каскада напряжение подается на предварительный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью по постоянному току, которая и осуществляется через резисторы R5 и R8. Обратная связь позволяет стабилизировать коэффициент усиления усилителя в широком диапазоне изменения температуры. Через резистор R6 осуществляется обратная связь по переменному току, которая стабилизирует величину отклоняющего тока при уходе параметров отклоняющих катушек от их значения при нормальной температуре. Усилитель мощности нагружается непосредственно на катушки.
Схема формирования обратного хода служит для увеличения напряжения питания выходного каскада во время обратного хода развертки, что необходимо для обеспечения требуемой длительности обратного хода при относительно небольшом напряжении основного источника питания.
Рассмотренная схема генератора развертки обеспечивает получение максимального тока в катушках около 1,5 А при коэффициенте нелинейных искажений 8 %.
ГЕНЕРАТОРЫ СТРОЧНОЙ РАЗВЕРТКИ
Генератор строчной развертки обычно состоит из задающего и выходного каскадов. Работа выходного каскада строчной развертки принципиально отличается от работы выходного каскада кадровой развертки. Как указывалось, это отличие вызвано большой разницей в частотах разверток и, как следствие, в значениях реактивной 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 W= LK(2Im )2 / 2, где 1т — амплитуда тока. Для уменьшения потерь энергии выходные каскады строчной развертки строят обычно по ключевым схемам.
Рассмотрим работу схемы с ключом К, имеющим двустороннюю проводимость и внутреннее сопротивление Я. (рис. 7.9, а). При анализе эквивалентной схемы выходного каскада строчной развертки пренебречь паразитной емкостью катушек нельзя. В то же время активное сопротивление катушек оказывается несущественным по сравнению с индуктивным сопротивлением. Направления токов в схеме для различных интервалов времени показаны стрелками (рис. 7.9,6).
При замыкании ключа К (t = 0) паразитная емкость Со контура мгновенно заряжается, поскольку постоянная времени мала, и сила тока в катушке £к возрастает по закону
/к=^-(1-е-гД),
гдет = 4/R(.
140
Рис. 7.9. Эквивалентная схема выходного каскада строчной развертки с двусторонним ключом (о) и эпюры тока и напряжения (6)
Если сопротивление ключа А, = 0, то сила тока в катушке будет возрастать строго линейно: zK = (£0 / LK) t. В момент ключ размыкается, и в контуре возникают свободные колебания. При этом ток изменяется по косинусоидальному закону, а напряжение UK — по синусоидальному (рис. 7.9, б), т. е.
гк = 4 cos ; и* = - ® 44 sin
При А.= 0 максимальные значения тока и напряжения соответственно равны:
4 = (4/4)(4/2)>4=®44/21-
141
Время обратного хода равно половине собственных колебаний контура: То6 = л / со, тогда максимум напряжения
ит = (пЕ0/2)(Тр/Т^.
Если, например, Тр/ = 10, то Um = 15,7£0.
В момент t3 ключ снова замыкается. При этом колебания в контуре прекращаются, а ток ir, 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 tQ- tlr происходит в интервале f3-tA. Таким образом, если Rt = 0, то схема не потребляет энергии, а циркулирующая в ней мощность носит чисто реактивный характер. При R^ 0, очевидно, будут иметь место потери энергии, однако эти потери намного меньше энергии, создающей полезный эффект отклонения луча. Следует также добавить, что наличие внутреннего сопротивления ключа Ri приводит к появлению нелинейности отклоняющего тока.
Реализовать двусторонний ключ можно с помощью одного биполярного транзистора, однако его коллекторные характеристики не обладают достаточной симметрией, что отрицательно сказывается на форме и линейности пилообразного тока в катушках. Поэтому в транзисторных схемах выходных каскадов строчной развертки двусторонняя проводимость ключа обеспечивается обычно применением мощного управляемого транзистора и демпферного полупроводникового диода (рис. 7.10, а). Поскольку сила тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора, достаточно велика, число витков в катушках, необходимое для создания отклоняющего поля, незначительно. При этом собственной 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 коллекторе при разрыве ключа, Um - \,51ЕКТ / То6. Для ликвидации постоянной составляющей тока в катушках последние подсоединяют к транзистору через трансформатор или разделительный конденсатор.
На рис. 7.10, б приведены кривые импульсов токов и напряжений в схеме выходного каскада строчной развертки. На базу транзистора подаются положительные запирающие импульсы длительностью Тзап = 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 коллекторе транзистора Um. Импульсы, подаваемые на базу транзистора, должны быть достаточными, чтобы поддерживать его в запертом состоянии. Когда напряжение на коллекторе UT меняет знак, открывается диод и через катушки протекает ток в течение времени Тр / 2. Затем открывается транзистор и за счет коллекторного тока ;т формируется вторая половина отклоняющего тока через катушки iK.
Для получения хорошей линейности отклоняющего тока сопротивление диода в прямом направлении должно быть минимальным. Диод и транзистор должны выдерживать в запертом состоянии напряжение, равное Um.
142
Рис. 7.10. Схема выходного каскада строчной развертки с демпфирующим диодом (а) и формы напряжений и токов в схеме (б)
Произведение напряжения Um + Ек на максимальное значение тока 1т получило название разрывной мощности ключа.
Коэффициент нелинейности отклоняющего тока р связан с активным сопротивлением отклоняющих катушек г, и сопротивлением насыщенного транзистора R~ формулой
₽ = 2W + ^)/^
Регулирование линейности отклоняющего тока и придание ему S-образной формы осуществляют с помощью последовательного включения с катушками специального дросселя и корректирующего конденсатора. Индуктивность дросселя должна изменяться под воздействием протекающего тока. Это происходит 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 приближаться также к линейной. Подстройку линейности развертки обычно осуществляют, изменяя степень насыщения сердечника дросселя.
Подушкообразные искажения изображения в кинескопе корректируют с помощью корректирующего конденсатора Cs, который вместе с индук-
143
тивностью отклоняющих катушек образует последовательный колебательный контур ZK Cs. Частота этого контура <о 3 = 2л / подбирается та-
ким образом, чтобы во время прямого хода развертки на линейный отклоняющий ток накладывался примерно один полупериод тока собственных колебаний контура, в результате чего суммарный ток приобретает S-образный характер, определяемый выражением
»к(0 =
4 sin (го 5 Тр /2)
sin (соД-со57р/2).
При Тр = п / <£is получаем iK(t) = Im sin (го., t - л / 2).
Импульсное напряжение Um, возникающее на нагрузке выходного каскада строчной развертки во время обратного хода, используется в видеоконтрольных устройствах для получения высокого 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 затем выпрямляется. Схемы умножения позволяют получить необходимое напряжение. В целях ликвидации нестабильности высокого напряжения, возникающей при изменении тока луча кинескопа, используют схему электронной стабилизации.
7.2. ГЕНЕРАТОРЫ РАЗВЕРТОК С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ «НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК» ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ
Рис. 7.11. Схема развертывающего устройства типа «напряжение — ток»
К генераторам разверток передающих трубок, как уже указывалось, предъявляются повышенные требования в отношении линейности пилообразного тока. Коэффициент нелинейности в этих случаях не должен превышать 1 - 2 %. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют генераторы разверток, выходные каскады которых построены на принципе линейного преобразования напряжения в ток. Так строятся генераторы кадровой и строчной разверток для трубок класса видикон.
Функция преобразователя «напряжение - ток» (ПНТ) состоит в том, чтобы обеспечить линейное преобразование входного напряжения Um(t) в отклоняющий ток iK(f), при этом напряжение на катушке UL должно удовлетворять уравнению
ГТ Т
Ur = LK-----F ,
at
где LK, гк — индуктивность и активное сопротивление катушки соответственно.
Из приведенного уравнения следует, что предложенную задачу можно решить с помощью операционного усилителя, выполняющего операцию дифференцирования [28].
На рис. 7.11 показана схема включения отклоняющей катушки
144
в операционный усилитель ОУ, причем для создания цепи обратной связи вводится резистор Ro с. Для указанной схемы справедливо выражение tfK=WBX-tf0.c), (7.7)
где К— коэффициент усиления операционного усилителя. С другой стороны,
= Дс'^Г’ + ^о.с'к + гк'к = Д. ~ + Vk + Uo.c- (7.8)
Исходя из формул (7.7) и (7.8),
KUm = 4^- + [JR0.c(^ + l)+'-KbK- (7.9)
После решения уравнения (7.9) получаем
i =-------------(1-е-'/т),
Д>.с(^+1)+г/
гдет =4 / [7?0 С(Г+ 1) + гк].
Таким образом, если оо , то 0, rK« Ro С(К + 1), а ток через катушку
i^) = UBX(t)/Roc, т. е. форма тока полностью повторяет форму входного напряжения. Следовательно, точность линейного преобразования будет тем выше, чем больше коэффициент усиления операционного усилителя.
Следует отметить, что приведенные соображения будут справедливы только в рамках линейного режима усиления операционного усилителя, для которого Ц!ЫХ = KUm при К = const. Этот режим, очевидно, будет иметь место лишь в ограниченных пределах изменения входного напряжения.
Одним из важнейших параметров ПНТ является время установления в индуктивности катушек необходимого отклоняющего тока, поскольку это обстоятельство непосредственно определяет время установления коммутирующего пучка передающей трубки в заданную точку.
Предположим, что на вход операционного усилителя подан импульс напряжения, соответствующий заданной силе тока в катушках. Из схемы, изображенной на рис. 7.11, следует, что в момент подачи на вход усилителя ступеньки напряжения ток в катушке 1К и напряжение обратной связи Uo с равны нулю, а к контуру Д( Ао с+ приложено максимальное входное напряжение UK = = Ео (здесь Ео - напряжение источника пита-
ния) . С этого момента ток в катушке станет изменяться по закону (рис. 7.12)
А>.с + Гк
а напряжение
о. с
ЛО.С + Гк
гдет0=4/(7?о.с+гк).
Зак.352
145
ю
Рис. 7.12. Временная зависимость отклоняющего тока и напряжения на катушке в схеме преобразователя «напряжение — ток»
Напряжение на индуктивности катушек уменьшается по экспоненциальному закону, а напряжение на сопротивлении 7^ с и гк соответственно растет. В результате напряжение UK = Eq будет оставаться постоянным до тех пор, пока уменьшающаяся разность UBX-U0C не окажется меньше некоторого порогового значения Д17= Eq/ К Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя К»\, то Д77«77вх и можно положить для момента времени 70, соответствующего достижению разности Д U, Uo с т. е.
Ло.с+Гк
откуда
70 = -т01п
17вх(7? с +гк) ЗД.С
(7.Ю)
Это и есть ориентировочное выражение для времени установления тока в катушке. Как видно из формулы (7.10), уменьшить время установления 70 можно за счет увеличения напряжения Ео (при заданном входном напряжении Usx) и снижения активного сопротивления катушек гк.
При расчете параметров схемы рекомендуется выполнять условие Ro с = (0,2 + 0,3)гк. Сумма сопротивлений А, с + должна быть приемлемой с точки зрения нагрузочного сопротивления выходного каскада по постоянному току.
При проектировании ПНТ бывают известны параметры отклоняющих катушек LK и гк, размах отклоняющего тока 21т и требуемое быстродействие схемы. Полученные соотношения позволяют выбрать основные параметры преобразователя 7^с, Um, К, Eq , а также тип операционного усилителя.
146
73. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ РАЗВЕРТЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Управление токами в отклоняющих катушках электронно-лучевых трубок по заданному закону или алгоритму используется как в измерительных, так и в обзорных телевизионных системах. При этом задача сводится к преобразованию цифрового кода в отклоняющий ток. Такое преобразование можно осуществить двумя способами: последовательным преобразованием «код — напряжение» и затем «напряжение - ток», либо прямым преоб-
разованием «код — ток». Очевидно, что в обоих случаях должна быть обеспечена строгая линейность преобразования цифрового кода в отклоняющий ток.
Принципы построения преобразователей «код — напряжение» и «напряжение — ток» рассматривались ранее. Эти преобразователи отличаются большой степенью универсальности, быстродействием и точностью преобразования. Принцип построения прямого преобразователя «код — ток» поясняет рис. 7.13 [1]. Как видно из рисунка, отрицательная об-
Рис. 7.13. Схема развертывающего устройства типа «код — ток»
ратная связь в схеме осуществляется за счет падения напряжения на цифроуправляемых весовых резисторах R$ - Rm.
Из п. 7.2 следует, что при достаточно большом значении коэффициента
усиления операционного усилителя связь между отклоняющим током и сопротивлением Rn, отвечающим определенному коду, устанавливается соотношением iK = Ubk/Rn. Следовательно, рассматриваемое преобразование будет линейным. Благодаря тому, что величина т0 = £к/Доказывается переменной и зависящей от текущей кодовой комбинации, переменным становится и быстродействие схемы. Наихудшее быстродействие преобразователя будет при минимальном сопротивлении обратной связи, равном Д^ и зависящим от числа разрядов. Таким образом, с точки зрения хорошей линейности И быстродействия преобразования желательно выбирать значение Дт|П достаточно большим.
7.4. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) применяются в телевизионной технике в качестве генераторов развертки для видиконов с электростатическим отклонением луча, для формирования пилообразного напряжения в генераторах кадровой развертки кинескопов и видико
147
нов с электромагнитным отклонением луча, а также в преобразователях «напряжение — код» последовательного действия.
Обычно напряжение линейно изменяющейся (пилообразной) формы получают путем заряда или разряда конденсатора во время прямого (рабочего) хода с последующим восстановлением исходного состояния во время обратного хода. Устройства первого типа условно называют генераторами линейно растущего, а второго - линейно падающего напряжения. Общая схема таких устройств представлена на рис. 7.14. Для генератора линейно растущего напряжения должны выполняться следующие соотношения между сопротивлениями зарядного R3 и разрядного R? двухполюсников: R3« Rp — рабочий ход, R3>> Rp — обратный ход. Для генератора линейно падающего напряжения — соответственно наоборот. Управление зарядноразрядными процессами осуществляется с помощью импульсов необходимой длительности и полярности, подаваемых на вход генератора.
Важнейшими параметрами ГЛИН являются коэффициент нелинейности ун и коэфффициент использования напряжения источника питания еп. Последний представляет собой отношение еп = Um / Ео, где Um — разность напряжений в начале и конце прямого хода развертки; Ео — напряжение источника питания. Линейность пилообразного напряжения принято оценивать коэффициентом нелинейности
у = (о — v ) / v =(i — i) / i ,
<н v н к' ' н v н к/ ' н ’
где и — скорость изменения выходного напряжения, взятого для начала и конца рабочего хода, t> = dU/ dt= i/C; i — сила тока через конденсатор.
Если в качестве зарядного и разрядного двухполюсников использовать обычные резисторы, то выходное напряжение будет состоять из отрезков экспонент. Легко показать [19], что в этом простейшем случае коэффициент нелинейности ун= еп, т. е. получение пилообразного напряжения достаточно высокой линейности связано с крайне низкой эффективностью использования источника питания.
Чтобы получить высокую линейность выходного напряжения при одновременно высокой степени использования источника питания, необходимо под держивать силу тока заряда (разряда) конденсатора во время рабочего хода возможно более близкой к постоянной. Это осуществляется специальными токостабилизирующими двухполюсниками. Последние можно также рассматривать как сопротивления R (1), которые уменьшаются во времени таким образом, чтобы сила тока, проходящего через них, оставалась постоянной.
Рис. 7.15. Схема генератора пилообразного напряжения с операционным усилителем
Рис. 7.14. Общая схема построения генераторов пилообразного напряжения
148
На рис. 7.15 представлена схема ГЛИН, построенная на базеопераци-онного усилителя ОУ[63]. Схема представляет собой высокостабильный генератор тока с времязадающей цепочкой R С, включенной в цепь обратной связи. Разряд конденсатора осуществляется с помощью ключа, выполненного на полевом транзисторе VT. На вход транзистора подаются импульсы, длительность которых определяет время обратного хода. На инвертирующий вход операционного усилителя подается постоянное напряжение UBX, от величины которого зависят размах и постоянная составляющая выходного напряжения.
Обозначим через i зарядный ток конденсатора. Тогда i = (- е0) / R. Напряжение на конденсаторе
1 ' 1 '
= е0 - UBta = - Гidt = Г(ДВХ - е0)Л.
с о КС о
Поскольку е0 = Двых / К (где К- коэффициент усиления операционного усилителя), то при К-> <х> 0. Тогда с учетом UBX= const получим
i=UBJR и
Двых(/) =--~t,
вых RC
т. е. выходное напряжение изменяется строго по линейному закону.
Для получения высокой линейности пилообразного напряжения следует брать операционный усилитель с большим коэффициентом усиления, а значение зарядного тока должно превышать значение входного тока усилителя.
Существует ряд других высокоэффективных схем ГЛИН с токовой стабилизацией [19 и др.].
7.5. СИНХРОНИЗИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Совокупность средств, обеспечивающих синхронность и синфазность разложения и воспроизведения изображения, называют системой синхронизации [14].
Требования к системе синхронизации и состав входящих в нее элементов определяются назначением и особенностями построения телевизионной системы в целом. Устройства синхронизации отличаются в прикладных и вещательных, измерительных и обзорных, аналоговых и цифровых телевизионных системах.
Система синхронизации должна удовлетворять ряду общих требований. В первую очередь, это относится к обеспечению ею заданного способа и параметров разложения изображения. Для вещательного телевидения России это требование определяет ГОСТ7845—92, согласно которому устанавливается чересстрочное разложение на 625 строк при 25 кадрах в секунду. Для прикладного телевидения можно использовать и другие параметры разложения (например, чересстрочное разложение на 1125 строк при 25 кадрах в секунду, построчное разложение на 312 строк при 50 кадрах в секунду и т. д.).
149
Уровень белого
Уровень черного
Рис. 7.16. Полный телевизионный сигнал при построчном разложении
Любая система синхронизации должна обеспечивать геометрическую достоверность передаваемого изображения, которое воспроизводится полностью и без разрывов. Система синхронизации должна быть помехоустойчивой, надежной и экономичной.
Центральным устройством системы синхронизации, как правило, располагающимся на передающей стороне, т. е. в телевизионном датчике, является генератор синхронизирующих импульсов, называемый обычно синхрогенератором. Синхрогенератор выполняет следующие функции:
управляет работой развертывающих устройств передающей трубки или сдвиговых регистров ПЗС;
управляет работой развертывающих устройств кинескопа;
управляет работой вычислительного устройства, а также АЦП и ЦАП в цифровых телевизионных системах;
синхронизирует работу двигателей видеомагнитофона;
управляет процессом восстановления постоянной составляющей видеосигнала;
формирует гасящие импульсы, запирающие лучи передающей и приемной трубок во время обратного хода по строкам и кадрам.
Управление работой развертывающих устройств передающей трубки и кинескопа осуществляется с помощью строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. В прикладном телевидении используют подачу синхронизирующих импульсов к развертывающим устройствам либо по отдельным линиям связи, либо в составе полного телевизионного сигнала, включающего в себя видеосигнал (сигнал изображения), синхронизирующие и гасящие импульсы. Первый способ обычно применяется в телевизионных датчиках, второй — для синхронизации разверток видеоконтрольных устройств. В составе полного телевизионного сигнала синхроимпульсы частоты строк и кадров располагаются ниже уровня черного, как правило, совпадающего с уровнем вводимых в сигнал гасящих импульсов (уровни черного и гасящих импульсов могут отличаться на несколько процентов). При этом гасящие импульсы служат как бы пьедесталами для синхроимпульсов (рис. 7.16). Процесс синхронизации разверток осуществляется во время обратных ходов.
Выделение синхроимпульсов из полного телевизионного сигнала производится в видеоконтрольном устройстве с помощью амплитудных селекторов. Выделение строчных и кадровых синхроимпульсов из общей синхросмеси осуществляется с помощью дифференцирующих и интегрирующих цепей соответственно. Из рис. 7.17 видно, что после дифференцирова-
но
Рис. 7.17. Прохождение синхроимпульсов через дифференцирующую и интегрирующую цепи
ния и последующего ограничения импульсы Ц, можно использовать для синхронизации строчной развертки, в то время как после интегрирования импульсы UK пригодны для осуществления только кадровой синхронизации.
На качество передачи изображения существенное влияние оказывает помехозащищенность системы синхронизации. Помехи в канале связи неодинаково сказываются на синхронизации кадровой и строчной разверток. Воздействие помех на кадровые синхроимпульсы будет относительно слабым, так как интегрирующая цепь, служащая для их селекции, является одновременно фильтром нижних частот. Канал строчной синхронизации имеет значительно меньшую помехозащищенность, поэтому необходимо применять специальные меры для ее повышения. Одной из таких мер является применение нормально запертого амплитудного селектора, который отпирается импульсами обратного хода, поступающими с выходного каскада строчной развертки. Другой, более надежный, способ заключается в применении устройства автоподстройки частоты и фазы импульсов, вырабатываемых задающим генератором строчной развертки. Для этого импульсы синхронизации и задающего генератора сравниваются в импульсном фазовом детекторе, выходные сигналы с которого поступают на интегрирующий элемент, подавляющий влияние помех и вырабатывающий напряжение, управляющее частотой задающего генератора.
Для получения устойчивого чересстрочного разложения и предотвращения сбоя строчной синхронизации во время обратного хода по кадрам сигнал синхронизации усложняется путем введения дополнительных импульсов. Дело заключается в том, что строчные синхронизирующие импульсы стандартной длительности 4,7 мкс создают на выходе интегрирующей цепи в видеоконтрольном устройстве сигналы в четном и нечетном полях, отличающиеся по величине перед началом кадрового синхроимпульса (рис. 7.18). Это отличие приводит к появлению временного сдвига А/, благодаря которому может произойти частичная потеря чересстрочности развертки. Для предотвращения этого в состав синхросмеси вводят несколько дополнительных импульсов, следующих с двойной строчной частотой и получивших название выравнивающих импульсов.
151
и2
Рис. 7.18. Синхронизирующие импульсы в четном (Ц) и нечетном (Ц) полукадрах при чересстрочном разложении и форма напряжения на выходе интегрирующей цепи при отсутствии выравнивающих импульсов (Ц):
1 — строчный синхроимпульс; 2— выравнивающий импульс; 3— кадровый синхроимпульс с врезками 4
Выравнивающие импульсы следуют через интервал времени 0,5 Тс в течение времени 3 Тс перед каждым кадровым синхроимпульсом, а также после него. Чтобы не было потери строчной синхронизации во время обратного хода кадровой развертки, кадровые синхроимпульсы прорезаются врезками, также следующими с интервалом 0,5 Тс. Наличие выравнивающих импульсов приводит к тому, что форма кадровых синхроимпульсов в четном и нечетном полях после интегрирующей цепи оказывается практически одинаковой, а временной сдвиг А/ будет близким к нулю. Для строчной синхронизации наличие выравнивающих импульсов и врезок двойной строчной частоты не имеет значения. Устойчивость синхронизации Генератора строчной развертки не нарушается, так как он во время обратного хода по кадрам и перед ним будет работать в режиме деления частоты 1 : 2.
В автоматических системах телевизионный датчик работает совместно с цифровым вычислительным устройством. Согласование во времени работы датчика с вычислителем, с аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователями также входит в задачу системы синхронизации, что существенно усложняет ее структуру. Так, для правильного декодирования сигнала в ЦАП подается сигнал начала первой кодовой комбинации и сигнал, несущий 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 локализации ошибок в интервалах строк. Число дополнительных синхропосылок выбирается таким, чтобы при наличии помех нарушалась только часть строки и одновременно не было больших потерь времени на передачу служебных сигналов.
152
Рис. 7.19. Структурная схема хронизатора системы с чересстрочным разложением (ПК, С, ДС — импульсы полукадровой, строчной и двойной строчной частоты соответственно)
Синхрогенератор любой телевизионной системы состоит из двух основных частей: задающей части (хронизатора) и формирующего устройства. В состав хронизатора входят задающий генератор, делители частоты. Назначение хронизатора заключается в создании импульсов основных опорных частот. Формирующее устройство вырабатывает служебные импульсы различного назначения, заданной формы, величины, длительности и полярности. В частности, в этом устройстве формируются импульсы синхронизации строчной развертки передающей трубки с опережением по фазе относительно соответствующих импульсов кинескопа, что необходимо для компенсации времени пробега сигнала по камерному кабелю, если он имеет значительную длину (в промышленных телевизионных установках длина камерного кабеля может достигать километра и более).
Структурная схема хронизатора, обеспечивающего получение стандартного чересстрочного разложения, приведена на рис. 7.19. Главным элементом хронизатора является задающий генератор (ЗГ). Стабильность работы задающего генератора определяется назначением системы. Для прикладных систем стабильность задающего генератора должна быть не менее 5 • КГ4, для систем вещательного телевидения - 1 (Г6. В качестве задающих генераторов обычно используют кварцевые генераторы. Задающий генератор вырабатывает первичную опорную частоту, из которой путем деления получается двойная строчная частота, равная для стандартного разложения 31,25 кГц. На рис. 7.19 частота задающего генератора составляет 1 МГц. Из двойной строчной частоты путем деления ее на два получают частоту строчной развертки, а путем деления HaZ (номинальное число строк разложения) — частоту кадровой развертки, равную при чересстрочном разложении частоте полукадров.
Частота задающего генератора в цифровых телевизионных системах и системах, в которых в качестве фотопреобразователя применяется матрица ПЗС, равна частоте тактовых импульсов. В первом случае тактовые импульсы необходимы для временной дискретизации видеосигнала, во втором — для опроса элементов матрицы. На рис. 7.20 представлена структурная схема хронизатора цифровой измерительной системы на среднеформатной матрице ПЗСразмером 256 х 288 элементов [27]. Синхрогене-
153
Рис. 7.20. Структурная схема хронизагора цифровой телевизионной системы с построчным разложением (К, С, Т — импуль-мы кадровой, строчной и тактовой частоты соответственно)
ратор обеспечивает работу системы в режиме построчного 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 равна 73 мкс, причем прямой ход составляет 59,3 мкс, а обратный — 13,7 мкс. Из импульсов строчной частоты путем деления формируются импульсы частоты кадров. Номинальное число строк разложения составляет при этих частотах Z=274. На обратный ход кадровой развертки отводится 1,6 мс и таким образом число активных строк составляет Za = 252. На прямой ход строчной развертки отводится 288 периодов тактовой частоты, что обеспечивает вывод полной строки матрицы, состоящей из 256 элементов, и дискретизацию видеосигнала.
Делители частоты в современных синхрогенераторах выполняются исключительно на двоичных цифровых счетчиках, которые строятся на элементах, обладающих двумя устойчивыми состояниями равновесия, как правило, на триггерах. Цифровые счетчики характеризуются коэффициентом пересчета или модулем счета No, определяющим число возможных состояний счетчика (кратность деления). Для двоичных счетчиков No=2™, где т — целое число. Счетчики могут быть с последовательным и параллельным переносом. При последовательном переносе z-й триггер счетчика переключается выходным сигналом предыдущего (1 - 1)-го триггера. В счетчиках с параллельным переносом на все триггеры одновременно воздействует входной сигнал, вследствие чего такой счетчикявляется более быстродействующим [19].
В синхрогенераторах обычно требуется, чтобы кратность деления отличалась от No = 2™. В этом случае необходимо принять меры для исключения или добавления лишних устойчивых состояний в двоичном счетчике, что осуществляется с помощью обратных связей.
Сущность этого способа заключается в том, что для исключения или добавления ряда устойчивых состояний в счетчике выходные импульсы одного или нескольких триггеров подаются на вход одного или нескольких предыдущих триггеров. Подбирая число двоичных ячеек и изменяя условия обратной связи, можно построить схемы счетчиков с произвольными целыми значениями коэффициентов пересчета. Для определения значения коэффициента пересчета следует пользоваться формулой
7V0 = 2m 1±X2°‘“V1
>=i
154
Рис. 7.21. Структурная схема счетчика с модулем, не являющимся целой степенью числа «2»
где s — число обратных связей; а( — номер триггера, принимающего импульс обратной связи; Ь(— номер триггера, с которого снимается импульс обратной связи.
Знак « - » ставится в случае, когда импульс обратной связи добавляется к входным импульсам, знак « + » — наоборот, когда импульс обратной связи подается в противофазе по отношению к одному из входных импульсов и исключает его.
Для получения коэффициента деления 1:625 в синхрогенераторе счетчик разбивается на два последовательно соединенных блока, каждый из которых осуществляет деление в отношении 1: 25 и состоит из пяти двоичных ячеек. Для понижения коэффициента деления с 1 : 32 до 1 : 25 в каждом блоке с выхода 5-й ячейки через устройство задержки 3 добавляются импульсы обратной связи в три первые ячейки (рис. 7.21). Коэффициент пересчета при этом будет
No=25
з
+22-5-1 +23-5-1)
i=l
= 25.
Глава 8. ОСНОВЫ ЦВЕТНОГО И СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
8.1. ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ И СМЕШЕНИЕ ЦВЕТОВ
Известно, что одинаковые по интенсивности, но различные по спект-
ральному составу световые раздражения не одинаково воспринимаются глазом наблюдателя. Спектральная чувствительность глаза, выраженная в относительных единицах, называется кривой видностиЩГ) (рис. 8.1). Максимум кривой видности в условиях дневного зрения приходится на длину волны X = 0,555 мкм. Раздражение глаза световым излучением с непрерыв-
ным равноэнергетическим спектром в диапазоне волн, ограниченном кри-
вой видности, создает ощущение белого цвета. Если в спектре излучения отсутствует какой-либо компонент, то возникает определенное цветовое ощущение.
Любое сложное по спектральному составу излучение может быть оценено наблюдателем с помощью трех показателей: светлоты, цветового тона и насыщенности. Светлота характеризует интенсивность излучения. Изменение светлоты приводит к изменению субъективного ощущения цвета. Так, корич
невый цвет одинаков по спектральному составу с желтым, однако отличается от него меньшей светлотой. Белый, светло-серый, темно-серый цвета также отличаются светлотой. Светлота отражающей поверхности зависит
от ее яркости.
Цветовой тон сложного излучения характеризуется доминирующей в нем длиной волны монохроматического излучения. Наконец, насыщенность (чистота тона) монохроматического излучения определяется долей последнего, которая в сочетании с разбавляющим его белым цветом создает зрительное ощущение данного цвета. Насыщенность спектральных цветов равна 100 %, а насыщенность белого — нулю.
Со времен М. В. Ломоносова, Т. Юнга и Г. Гельмгольца восприятие цвета объясняется с помощью трехкомпонентной теории цветового зрения. Согласно этой теории, колбочковый цветоощущающий аппарат глаза содержит нервные окончания трех видов, обладающие преимущественной чувствительностью к насыщенным красному (А), зеленому (G) и синему (В) цветам. На рис. 8.2 показаны кривые R, G, 7? относительной чувствительности глаза к монохроматическим излучениям. Из рисунка сле
дует, что каждому монохроматическому излучению соответствует определенная степень возбуждения всех трех групп колбочкового аппарата, от которой и зависит цветовое ощущение. Любое цветовое ощущение можно получить сложением в определенных пропорциях отдельных излуче-
156
Рис. 8.2. Кривые относительной чувствительности цветочувствитель-ного аппарата глаза к красному (R), зеленому (G) и синему (В) цветам
ний. Наименьшее число независимых цветов, смешение которых позволяет получить все остальные цвета, равно трем, т. е. равно числу групп колбочкового аппарата. Законы смешения цветов, установленные в результате многочисленных экспериментов, составляют основу науки, называемой колориметрией.
Смешивать цвета можно различными способами. Так называемое локальное смешение получается путем направления на белый диффузно отражающий экран излучения от трех различных источников. В телевидении распространено пространственное смешение, при котором цветовое возбуждение различных точек, штрихов и полосок воспринимается как слитное, если размеры этих элементов меньше углового разрешения глаза.
Сложение цветов может производиться последовательно и одновременно (параллельно). В первом случае световые потоки воздействуют на глаз с частотой, превышающей критическую. В цветовой фотографии и кино сложение цветов заменяется вычитанием части светового потока исходного цвета путем пропускания его через избирательный фильтр.
Согласно принятой в 1931 г. международной комиссией по освещению (МКО) колориметрической системе, основными стандартными цветами считаются: красный К с А. = 700 нм, зеленый G с А. — 546,1 нм и синий В с А, = 435,8 нм. Любой цвет можно получить в соответствии с уравнением
F=rR + gG+ ЬВ, (8.1)
где г, gw b — цветовые коэффициенты, причем г + g+ b= 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 треугольника (рис. 8.3). Основные цвета R, G, В располагаются в вершинах равностороннего треугольника, высоты которого равны единице. Центр тяжести треугольника находится в точке Е. Основные цвета лежат на линии чистых
157
спектральных цветов, называемой локусом. Отметим, что все остальные (кроме R, G, В) монохроматические теоретически возможные цвета располагаются вне треугольника.
Любые цвета, которые образуются смешением трех основных цветов, находятся внутри цветового треугольника, причем цветовые коэффициенты равны дайне перпендикуляров, опущенных из точки А, отвечающей заданному цвету, на противоположные стороны, как это показано на рис. 8.3. Отметим, что доя точки А, располагающейся на одной из сторон треугольника, соответствующий цветовой тон будет определяться только двумя основными цветами. Если точка А располагается на одном из перпендикуляров, опущенных из вершин треугольника на противоположные стороны, то ее перемещение вдоль перпендикуляра на отрезках RE, ВБ, и GEбудет означать изменение насыщенности цвета при сохранении цветового тона.
Достоинство цветового треугольника R GB заключается в том, что в нем в качестве основных используются реальные цвета. Однако при проведении цветовых расчетов он обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, существуют некоторые практически встречающиеся цвета, располагающиеся вне треугольника RGB, но вблизи него, для которых координаты г, g и b отрицательны (например, точка iVua рис. 8.3). Во-вторых, треугольник R GB построен для источников основных цветов одинаковой мощности излучения, поскольку только тогда получается равноэнергетический белый цвет Е, т. е.
£(Вт) = 1/ЗА(Вт) + 1/3(?(Вт) + 1/32?(Вт).
Однако в колориметрии излучение источников основных цветов принято измерять в светотехнической системе. Тогда, если принять для примера R= G-B=\ лм, то цветовое уравнение для равноэнергетической точки Е с учетом чувствительности глаза к монохроматическим излучениям будет
Линия пурпурного цвета
Рис. 8.3. Цветовой треугольник RGB
158
£(лм) = 0,1775 (лм) + 0,812б(лм) + 0,0115 (лм).
Различие коэффициентов делает неудобным проведение цветовых расчетов. В качестве стандарта МКО приняла цветовой график XYZ, имеющий вид равнобедренного прямоугольного треугольника (рис. 8.4). В вершинах этого треугольника располагаются источники некоторых фиктивных основных цветов X, Y и Z. Линия спектральных цветов (локус) и линия пурпурных цветов лежат внутри треугольника. Таким образом, все поле реальных цветов также находится внутри него. Основные цвета X, Y, Z, расположенные вне зоны, ограниченной линией спектральных цветов, являются символическими цветами.
Цветовое уравнение для стандартного цветового графика
F=xX+yY+zZ,
где х, у, z — цветовые коэффициенты, причем х+ у + z = 1.
В цветовой системе X, Y, Z цветовые коэффициенты для равноэнергетического белого цвета Е равны хЕ = уЕ = zE = 1/3. Равноэнергетический белый цвет Е находится в центре тяжести треугольника и является условным. Для любого цвета, например, цвета F на рис. 8.4, цветовой тон определяется пересечением прямой EF с локусом, а насыщенность цвета вычисляется по формуле
р=У±УР~УЕ 100%>
Ур Ух ~Уе
где у х — координата на локусе, соответствующая точке цветового тона; уЕ— координата точки F\yE— координата белого цвета (уЕ= 1/3).
Колориметрические системы R, G, В и X, Y, Z взаимно связаны. Можно показать [7], что при R - G= В- 1 лм получается Х= 0, Y= 1 лм, Z= 0. Таким образом, если величины R, G, В выражены в светотехнических единицах, значение светового потока определяется только членом yY
Рассчитаем в качестве примера цветовой тон и насыщенность цвета F, обозначенного на рис. 8.4. Пересечение прямой с локусом определяет значение цветового TOHa:Xj,= 580 нм (желтый цвет). Цветовые коэффициенты: хЕ = 0,450, уЕ = 0,425, zE = 1 - (х + у) = 0,125. Координата цветового тона на локусе у х = 0,474. При этом насыщенность цвета получается/^ 73 %.
8.2. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ
В ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕРАХ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В основе построения любой системы цветного телевидения лежит трехкомпонентная теория восприятия цвета, в соответствии с которой на передающей стороне изображение объекта необходимо разделить на три цветовые составляющие, передать их по каналу связи и затем на приемной стороне восстановить цветное изображение.
Наиболее простой по принципу действия является система с одновременной передачей трех цветоделенных изображений с помощью трех передающих трубок, снабженных соответствующими цветными светофильт-
159
Рис. 8.5. Зависимость видимой цветовой насыщенности от частоты сигнала для основных цветов R, G, В
рами, трех каналов связи и трех кинескопов также с аналогичными фильтрами перед экранами. Все три цветных изображения совмещаются на приемной стороне с помощью полупрозрачных пластин на одном отражающем экране. Неэкономичность такой системы, включая требования к утроенной полосе частот канала связи по сравнению со стандартной, очевидна. Упростить систему можно с помощью последовательной покадровой передачи цветоделенных изображений, что требует применения одной передающей и одной приемной трубки, перед которыми устанавливаются диски со светофильтрами. На пути световых лучей к передающей трубке и между экраном кинескопа и наблюдателем последовательно перемещаются красный, зеленый и синий светофильтры. 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 превышать стандартную. Обе системы по понятным причинам не могут быть использованы в вещательном телевидении, но в прикладных целях последовательная система нашла применение, в частности для трансляции медицинских операций.
В настоящее время основное применение в вещательном и прикладном телевидении получили одновременные совместимые системы, позволяющие передавать информацию по каналам связи со стандартной полосой частот и осуществлять прием как цветных, так и черно-белых изображений на один и тот же цветной кинескоп. Рассмотрим принцип построения этих систем. Отметим, что практически нет необходимости передавать каждую цветовую составляющую сигнала в полной полосе частот, поскольку с уменьшением размеров детали объекта ее видимая наблюдателем цветовая насыщенность падает. Это снижение зависит от цвета (рис. 8.5). Из приведенных графиков следует, что видимая насыщенность деталей, окрашенных в синий цвет, падает наиболее быстро, вследствие чего для передачи мелких синих деталей оказывается достаточной 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 R, G и В сама по себе не может обеспечить совместимости черно-белой и цветной систем, так как в каналах цветности нет информации о распределении градаций яркости в передаваемом изображении. Таким образом, в совместимой сис-
160
теме для воспроизведения черно-белых изображений должна передаваться также яркостная составляющая сигнала.
На формирование сигналов цветности в передающей камере существенное 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 кравноэнергетическому белому цвету и условиям реального дневного освещения. Для выбранного источника белого цвета три сигнала на выходе передающей камеры должны быть равны между собой, т. е. UR = UG = Uв, а уравнение яркости с учетом свойств зрения
^=0,3^+0,59^4-0,11^, (8.2)
где UY, UR, UGn UB — напряжения сигналов яркости и цветности на выходе передающей камеры.
В уравнение яркости входят четыре сигнала, из которых достаточно передавать по каналу связи три, а четвертый получать на приемной стороне с помощью операции вычитания. Если передаются по каналу связи сигналы UR и UB> то сигнал UG восстанавливается на приемной стороне согласно уравнению
_ UY -0,3UR -0,11С/в
G 0,59
Требование совместимости систем обязывает в любом случае передавать яркостный сигнал Uy. Формирование яркостного сигнала осуществляется с помощью матричного преобразователя (рис. 8.6). Сопротивления резисторов Rr,Rg, Rbвыбираются таким образом, чтобы обеспечивалось требуемое соотношение между цветовыми коэффициентами в уравнении яркости (8.2).
Таким образом, в совместимой системе необходимо передавать сигнал яркости в стандартной широкой полосе частот около 6 МГц и два более узкополосных сигнала цветности. Для передачи этих сигналов не требуется расширять полосу частот канала связи, принятую для систем черно-белого
Рис. 8.6. Схема матрицы для формирования яркостного сигнала
1 Зак. 352
161
телевидения. Как уже отмечалось ранее (п. 2.2), для передачи сигналов цветности используются провалы в энергетическом спектре частот яркостного сигнала, кратные нечетному числу полупериодов строчной частоты.
Практически во всех системах цветного телевидения вместо сигналов цветности URv. ^передаются так называемые цветоразностные сигналы, обозначаемые UR_Y= UR- UY, 11^= UB- UY. При передаче цветоразностных сигналов снижается заметность помех от цветовых сигналов на экранах как черно-белых, так и цветных телевизоров [7]. Предположим, что передается чисто черно-белое изображение, для воспроизведения которого необходим только сигнал яркости UY, но в системе предусмотрена также передача красного и синего сигналов. Тогда согласно уравнению цветности будет передаваться сигнал U# несущий 30 % информации о яркости, и сигнал UB (11 %). Эти сигналы создадут определенный уровень помех на черно-белом изображении, воспроизводимом на кинескопе. Найдем теперь цветоразностные сигналы, принимая во внимание, что UR-UG-= UB= 1В. Тогда, согласно уравнению (8.2), UY = 1 В и, следовательно, у= Ur - UY= 0, UB_ у= UB- UY= 0, т. е. при передаче черно-белого изображения помехи от цветоразностных сигналов будут отсутствовать.
8.3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Из теории следует, что передающая камера цветного телевидения должна генерировать не один, а три видеосигнала, несущих информацию о распределении яркостей объекта наблюдения и его цветовых составляющих. Выполнить это требование можно либо с помощью трех фотопреобразователей, либо двумя или одним фотопреобразователем, снабженным специальными кодирующими светофильтрами. В качестве фотопреобразователей для цветных камер используются передающие трубки типа плюм-бикон или матрицы ПЗС. Применение последних пока ограничено из-за высоких требований, предъявляемых к фотопреобразователям цветных камер. К таким требованиям относятся идентичность характеристик свет — сигнал, высокая однородность чувствительности по полю изображения, отсутствие геометрических искажений, малая инерционность и ряд других. Невыполнение этих требований приводит к появлению искажений в цветопередаче как неподвижных, так и особенно движущихся изображений.
Трубка В
Рис. 8.7. Структурная схема трехтрубочной передающей камеры
162
Наиболее высокое качество цветопередачи обеспечивают трех- и 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 схема трехтрубочной камеры, формирующей сигнал яркости UY и два цветоразностных сигнала URYn Ub_y,b которой лучистый поток Ф подвергается разделению на три составляющих с помощью дихроических зеркал Д1 и Д2. Зеркало Д1 отражает синюю составляющую, попадающую через зеркало 31 на трубку В, а красную и зеленую составляющие пропускает. Зеркало Д2 пропускает зеленую составляющую, проходящую на трубку G, а красную отражает через зеркало 32 на трубку R. В формировании спектральных характеристик каналов помимо дихроических зеркал участвуют не показанные на рисунке цветные светофильтры, находящиеся вместе с корректирующими аберрации линзами непосредственно перед трубками.
Три трубки вместе с предварительными усилителями формируют соответствующие основные сигналы UR,UGaUB, поступающие на матрицу М. Матрица формирует сигнал яркости UY так, как это показано на рис. 8.6, и два цветоразностных сигнала UR_ уи UB_ Y. Получение последних осуществляется аналогичными звеньями матрицы с той лишь разницей, что сигнал UY предварительно инвертируется в фазоинверторе и затем складывается с исходными сигналами UR и UB, чем и достигаются необходимые операции вычитания. Затем спектры цветоразностных сигналов ограничиваются фильтрами Фк_уИ Фв.у ДО частот 1,5 МГц и далее осуществляется уплотнение широкополосного яркостного сигнала. Принцип построения уплотнителя, в котором одновременно осуществляется формирование полного телевизионного сигнала, зависит от выбранной системы передачи сигнала по каналу радиосвязи, т. е. системы NTSC, SECAM или PAL. В принятой у нас системе SECAM цветоразностные сигналы складываются с сигналом яркости через строку, что допустимо, так как цветовую четкость можно значительно снизить по сравнению с яркостной. 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 цветоразностных сигналов, а в полный телевизионный сигнал помимо обычных импульсов кадровой и строчной синхронизации замешиваются импульсы цветовой синхронизации, управляющие поступлением на линию задержки цветоразностных сигналов.
Построение многотрубочных камер сопровождается определенными техническими трудностями, одной из которых является необходимость точного (в пределах 0,2 — 0,3 элемента) совмещения растров цветоделенных изображений. Причины неточности совмещения растров могут быть различными, в том числе неодинаковые скорост и разверток, различные размеры изображений в каналах Д Си В и некоторые другие. Необходимая точность совмещения растров достигается только в процессе настройки и отладки работы камеры.
Репортажные камеры (видеокамеры) и камеры для систем прикладного назначения включают в себя один или два фотопреобразователя, что существенно снижает массу и габаритные размеры камеры, правда за счет
163
некоторого снижения качества передачи изображения. В двухтрубочной камере одна из трубок формирует яркостный сигнал, вторая—сигнал цветности. Разделение светового потока на два канала осуществляется полупрозрачным зеркалом. Перед трубкой, формирующей сигнал цветности, помещается дихроическое зеркало, отсекающее зеленый компонент, а на мишень попадают синий и красный компоненты. Мишень двухцветной трубки покрыта растровым цветоделительным светофильтром, состоящим
из двух чередующихся вертикальных полосок красного и синего цвета. Возможны и другие варианты цветоделения, например, одна из полосок
Рис. 8.8. Структура рас-трового светофильтра с индексным кодированием цветовых сигналов для однотрубочной передающей камеры
делается прозрачной для суммы красного и синего цвета, а другая — только для синего. В любом случае при развертке изображения сигнал на выходе трубки содержит две цветовые составляющие Rm B, 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 (7? + В), которые проецируются на мишени трубок яркостного канала и канала цветности соответственно. Декодиро
вание сигналов осуществляется в специальном блоке канала, где формируется полный телевизионный сигнал по системе SECAM. Полоса частот красного и синего сигналов составляет 1 МГц, зеленого — от 1 до 6,5 МГц. Сигнал к цветному приемнику передается по коаксиальному кабелю на ра-
диочастоте одного из первых трех каналов вещательного телевидения.
В однотрубочных камерах используются более сложные растровые светофильтры, с помощью которых осуществляется оптическое кодирование претного изображения. На рис. 8.8 показана структура растрового светофильтра с индексным кодированием цветовой информации [40]. Растр состоит из чередующихся триад вертикальных полосок, разделенных непрозрачными индексными полосками. При развертке изображения сигналы индексных по
лосок выделяют с помощью амплитудных селекторов, пропускают через линии задержки и используют для поочередного отпирания трех усилителей. Такая система кодирования удобна при построении не только наблюдательных, но и измерительных систем, поскольку позволяет точно фиксировать положение детали объекта внутри строки.
На рис. 8.9 показана структура растрового двухслойного светофильтра, обеспечивающего частотно-фазовое кодирование цветного изображения [15,40]. Первый слой (рис. 8.9, а) содержит чередующиеся вертикальные полностью прозрачные и голубые (G+B) полоски, второй слой (рис. 8.9, б) — наклонные прозрачные и желтые (G+R) полоски. Для зеленых лучей светофильтр прозрачен. Полоски могут быть наклонены в любую сторону, угол наклона выбирается таким, чтобы в (и + 1)-й строке (рис. 8.9, в) полоски
164
Рис. 8.9. Структура растрового двухслойного светофильтра с частотно-фазовым кодированием цветовых сигналов: а — слой вертикальных полосок; б — слой наклонных полосок;
в — совмещение слоев
обоих совмещенных светофильтров совпадали, а в и-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 имеет одинаковую частоту, не зависящую от номера строки. Однако токи сигналов, создаваемые с помощью фильтров в (и + 1)-й и и-й строках, будут находиться в противофазе. Если теперь сложить оба сигнала, предварительно задержав один из них на время строки, то переменная составляющая сигнала, вызванная наклонной структурой, исчезнет, а составляющая, вызванная вертикальной структурой, удвоится. Аналогично операция вычитания позволяет выделить сигнал от наклонного светофильтра. Оба результирующих сигнала, имеющие одинаковую и достаточно высокую частоту, выделяются затем электрическим полосовым фильтром, после чего детектируются и направляются в матрицу (сигналы Urm. UB). Перечисленные операции иллюстрируются схемой, изображенной на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Структурная схема декодирующего устройства с частотно-фазовым разделителем цветовой информации (МВ —многосигнальный видикон; ПУ— предварительный усилитель; 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)
165
Существует более простой — частотный — способ кодирования цветовой информации, при котором каждый кодирующий фильтр состоит только из вертикальных полосок, следующих с различной частотой. Сигналы выделяются двумя высокочастотными полосовыми фильтрами. Результирующая полоса частот выходного сигнала получается более широкой, чем в предыдущем случае, и, 'ггобы уменьшить полосу частот до стандартной, приходится ограничивать разрешающую способность передающей камеры.
Сигнал, соответствующий зеленому цветовому компоненту, при частотном и частотно-фазовом способах кодирования получается за счет беспрепятственного по всей площади мишени прохождения светового потока через светофильтр и затем фильтрации выходного сигнала видикона низкочастотным фильтром. Сигнал на выходе низкочастотного электрического фильтра отвечает уравнению UG + 0,5aRUR + 0,5aBUB, где aR и ав — постоянные, определяемые освещенностью и спектральной чувствительностью видикона [40]. Этот сигнал вместе с детектированными сигналами и поступает на матрицу, с выхода которой снимается сигнал UG.
8.4. УСТРОЙСТВО ЦВЕТНЫХ КИНЕСКОПОВ
Существуют два основных вида цветных трехлучевых кинескопов: с теневой маской и щелевой маской. Кинескоп с теневой маской (рис. 8.11, а, 6) содержит три электронно-лучевых прожектора, составляющих вместе А-пушку и формирующих три идентичных луча, каждый из которых возбуждает люминофор определенного цвета. Слой люминофоров, нанесенный на стеклянный экран Э, состоит из приблизительно 500 000 точечных триад синего, красного и зеленого цвета. Ддя того чюбы каждый луч возбуждал только «свой» люминофор, перед экраном располагается теневая маска ТМ— металлический лист с отверстиями, число которых равно числу триад, т. е. числу элементов разложения. Электронные прожекторы располагаются симметрично относительно оси трубки под углами 120° и состоят из подогревного катода, уп-
Рис. 8.11. Трехлучевой кинескоп с теневой маской: а — общий вид; б — схема про-
хождения лучей
166
равняющего и фокусирующего электродов и анода. Последние два имеют общий для всех прожекторов вывод. Силы токов всех трех лучей могут регулироваться независимо друг от друга, что обеспечивает подбор необходимой пропорции при смешении цветов. Чтобы обеспечить точное попадание каждого луча на «свой» люминофор, в трубке имеется сложная система сведения лучей, состоящая из системы сведения синего луча 1, магнитов чистоты цвета 2 и системы статического и динамического сведения 3. Регулированием всех этих элементов удается добиться полного сведения лучей на большей части площади экрана. На краях экрана может наблюдаться некоторое рассовмеще-ние лучей, при котором появляютсяцветные окантовки деталей изображения.
Управление интенсивностью лучей осуществляется в цветных кинескопах путем подачи на катоды сигнала яркости, а на модуляторы соответствующих прожекторов — цветоразностных сигналов UR_Y, UG_Y и UB_Y. В результате интенсивность каждого луча будет определяться сигналами UR, (/еи UB. Основными недостатками рассмотренного кинескопа являются высокое энергопотребление и низкая эффективность электронного потока, так как до 80 % всех электронов задерживается маской.
В значительной степени перечисленные недостатки устранены в цветном кинескопе со щелевой маской и штриховым экраном. Три прожектора этого кинескопа (рис. 8.12, а) располагаются в одной плоскости (так называемое планарное расположение), а на экран наносятся цветные полоски люминофоров, направление которых перпендикулярно к плоскости расположения прожекторов (рис. 8.12, в). Ось зеленого прожектора совпадает с осью трубки, а оси других прожекторов наклонены к центральной оси так, чтобы они пересекались в центре маски. Маска (рис. 8.12, б) представляет собой металлический лист с вертикальными прорезями (щелями). Такая конструкция трубки более удобна и технологична по сравнению с предыдущей. Упростилось сведение лучей, поскольку прожекторы находятся в одной плоскости, причем один из них — зеленый - располагается точно по центральной 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 свечения экрана при таком же анодном напряжении.
Рис. 8.12. Трех лучевой кинескоп со щелевой маской и штриховым экраном: а — ход электронных лучей; б — щелевая маска; в — полоски красного (А), зеленого (3) и синего (Q люминофоров
кзскзс
167
Разновидностью трехлучевого кинескопа со штриховым экраном является трубка тринитрон, разработанная японской фирмой «Sony». В тринитроне применена специальная конструкция электронно-оптической системы, состоящая из одного трехкатодного прожектора, общей для всех трех лучей электростатической фокусирующей линзы и электростатической системы динамического сведения [11]. Щелевая маска заменена апертурной решеткой со сплошными вертикальными прорезями, способствующей более точному сведению лучей. По энергетическим характеристикам тринитрон близок к кинескопам со щелевыми масками.
Наибольшей перспективой для создания портативных телевизионных приемников и видеоконтрольных устройств обладают однолучевые хромотроны — кинескопы, в которых для получения цветного изображения применен так называемый принцип послеотклонения [ 11, 59]. Однолучевой хроматрон имеет штриховой экран 4 (рис. 8.13, а) с измененным чередованием красных (К), зеленых (3) и синих (С) полосок люминофора. Последовательность чередования принята такой: К, 3, С, 3, К, 3, С, 3... Прожектор 1 формирует один луч, который в процессе развертки отклоняется катушкой 2, не отличающейся от применяемой в черно-белых телевизорах. Перед экраном располагается цветокоммутирующая бипотенциаль-ная сетка 3, состоящая из двух групп (четных и нечетных) вертикальных струн (рис. 8.13, б). Струны каждой группы соединены между собой и на них подается коммутирующее напряжение UK. 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 - соответствующее отрицательное, то под действием электрического поля луч отклоняется в сторону положительной струны и попадает на красную полоску (см. рис. 8.13, б). При изменении полярности напряжения 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.
Очевидно, что для создания цветного изображения необходимо одновременно с отклонением луча коммутировать его модуляцию цветовыми сигналами, поступающими с декодирующей матрицы. Наличие одной элек-
Рис. 8.13. Однолучевой хромотрон (а — ход луча; б — схематическое расположение цветокоммутирующей сетки и полосок экрана)
168
тронной пушки вместо трех позволяет уменьшить диаметр горловины кинескопа до принятых в черно-белом телевидении размеров и тем самым снизить энергопотребление развертывающих устройств. Исключается также устройство динамического сведения лучей, что упрощает конструкцию приемника. Недостатком однолучевого хроматрона является небольшая потеря разрешающей способности по сравнению с масочными кинескопами.
В различных странах однолучевой хроматрон получил название колор-нетрон (Япония), хромоскоп (Россия) и т. д.
8.5. ОСНОВЫ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
В технике прикладного телевидения стереоскопические системы целесообразно использовать при управлении работой манипуляторов, подъемных кранов и других механизмов, когда оператору необходима информация о пространственном положении объекта наблюдения.
Объемное воспроизведение изображений основано на бинокулярном свойстве зрения, благодаря которому объемные предметы на сетчатках левого и правого глаза создают отличающиеся друг от друга изображения. Это отличие определяется глазным базисом Ьо, под которым понимается расстояние между центрами зрачков обоих глаз. Для «среднего» наблюдателя Ьо « 65 мм. Дальность стереоскопического зрения г0 прямо пропорциональна глазному базису и обратно пропорциональна порогу глубинного зрения б, которое составляет 10 - 20". Для 8=15" получаем г0 = Z>0 / 8 ® 1 км. Для увеличения дальности стереоэффекта используют стереотрубы и бинокли. При этом базис наблюдения увеличивается по сравнению с невооруженным глазом в Ь/Ьо раз, где b — базис прибора, т. е. расстояние между центрами объективов. Одновременно увеличивается и острота глубинного зрения 1/8, поскольку порог стереоскопического зрения уменьшается до значения 8 / у, где у - угловое увеличение бинокля или стереотрубы Таким образом, для вооруженного глаза г = Ь/(8 / у) или с учетом соотношения для г0:
r = rQby/Ьй = Пгй.
Величина П= yb/b0 называется пластикой бинокулярного прибора. Пластика прибора определяет его эффективность с точки зрения увеличения дальности стереоэффекта. Для биноклей при условии b = 2Ь0, у=6 получаем И= 12. Для стереотруб пластика достигает 120 [54].
В телевизионной технике объемность воспроизведения изображений различных натурных объектов достигается их съемкой двумя отстоящими друг от друга передающими камерами. Расстояние между объективами камер называется базисом съемки, а два изображения, полученных с помощью этих камер, — стереопарой.
Структурная схема стереоскопической телевизионной системы показана на рис. 8.14. В состав системы входят: двухкамерный телевизионный датчик видеосигналов ПК1 и ПК2, канал связи КС, два устройства воспроизведения УВ1 и УВ2 и устройство разделения изображений стереопары УР. В зависимости от построения канала связи система может быть одновременной и последовательной. В первом случае передача обоих видео-
169
Рис. 8.14. Структурная схема стереоскопической системы
сигналов производится параллельно, во втором случае — последовательно во времени, т. е. поочередно. В качестве устройств воспроизведения применяют два кинескопа. Для пространственного разделения изображений, чтобы каждое из них могло восприниматься только правым или левым глазом, применяются специальные наглазные устройства индивидуального пользования. Для коллективного просмотра используют растровые оптические методы сепарации изображений.
Наглазные (очковые) устройства бывают трех основных типов: поляроидные, цветные {анаглифы) и обтюрационные. Можно применять также зеркальные стереоскопы. Поляроидный метод сепарации изображений поясняется рис. 8.15. Два кинескопа / и4 располагаются перпендикулярно друг к другу, а воспроизводимые ими изображения совмещаются на полупрозрачном зеркале 2. Пе
Рис. 8.15. Принцип поляроидного метода сепарации изображений
ред экранами установлены поляроидные пленки Р1 и Р2 с взаимноперпендикулярными плоскостями поляризации. Очки 3 снабжаются такими же поляроидными пленками, чтобы левый глаз мог воспринимать изображение только с кинескопа 4, а правый — с кинескопа 1. Аналогично производится сепарация изображений с помощью цветных очков (анаглифов). В этом случае перед кинескопами уста
навливаются цветные светофильтры (можно также использовать кинескопы с разными цветами экранов), а очки снабжаются соответствующими цветными стеклами с достаточно узкими спектральными характеристиками. При этом объемное изображение оказывается близким к черно-белому.
В последнее время для сепарации изображений стали применяться различные обтюрационные очки, основанные на электрооптическом эфф ек-те в жидких кристаллах, пьезокерамике и других материалах. Восприятие
170
изображений по очереди левым Л и правым П глазом осуществляется чередующейся подачей импульсов на левую и правую часть очков. Применение обтюрационной сепарации позволяет построить стереоскопическую систему по одноканальному принципу и снабдить ее одним кинескопом (рис. 8.16.). Сигналы изображения с двух передающих камер ПК1 и ПК2 коммутируются в электронном коммутаторе ЭК с частотой кадров и поочередно передаются в канал связи КС, с выхода которого после усиления поступают на кинескоп. Одновременно на обтюрационные очки ОО подаются импульсы от синхрогенератора СГ, также синхронизированные с генератором кадровой развертки ГР. В результате левый глаз будет воспринимать изображение, поступающее только с первой камеры, а правый — со второй. Поскольку частота мельканий каждого изображения оказывается вдвое меньше частоты полукадров, последнюю приходится удваивать по сравнению с принятым стандартом и соответственно расширять полосу пропускания канала связи.
Проведенные расчеты показывают, что телевизионная система может существенно повышать стереоэффект по сравнению с непосредственным рассматриванием натуры [54]. Экспериментально установлено, что для неискаженного воспроизведения глубины пространства необходима полная идентичность разверток на передающей и приемной сторонах. Стереоэффект более заметен, если изображение объекта перемещается, особенно в направлении камеры.
Рассмотренная стереоскопическая система позволяет воспринимать глубинное изображение объекта только с одного направления (ракурса). Чтобы можно было рассматривать объект с разных направлений, строятся многоракурсные телевизионные системы, позволяющие как бы огладывать объект, перемещая зрительный анализатор в горизонтальной плоскости. Многоракурсные системы могут включать в себя несколько десятков передающих камер, каждая соседняя пара из которых работает по принципу стереосистемы. Сигналы изображения передаются по многоканальной линии связи, а изображения воспроизводятся проекционными кинескопами, число которых равно числу передающих камер. Все кинескопы про-
Рис. 8.16. Структурная схема стереоскопической системы с обтюрационной сепарацией изображений
171
ецируют свои изображения с помощью объективов на один общий экран. Селектор ракурсов строится на основе одного из методов сепарации, применяемых в стереотелевидении.
Перспективным направлением в развитии объемного телевидения является голографическое телевидение. Как известно, воспроизводимое голограммой изображение является оптическим аналогом объекта, что позволяет наиболее полно получить эффект его обзора с различных направлений. На голограмме оказывается записанным бесконечно большое число ракурсов, плавно переходящих один в другой. На рис. 8.17 показан один из вариантов построения телевизионной голографической системы [54]. Голограмм передаваемого объекта Об с пространственной частотой 3 = sin 0 / X, где 0 — угол между волновым фронтом (предметным потоком) и опорным потоком лазерных лучей; X — длина волны излучения лазера Л1, проецируется на мишень передающей трубки ПТ. Опорный поток О/Гсоздается зеркалом 3 посредством объектива 01, который создает также и предметный поток ПП. Таким образом, передающая трубка регистрирует волновую картину объекта, облученного когерентным светом, причем запись фазы отраженного от объекта излучения обеспечивается опорным пучком.
Записанная на мишени передающей трубки голограмма через кодирующее АУ(на передающей стороне) и декодирующее ДУ {на приемной стороне) устройства воспроизводится лазерным кинескопом ЛК, называемым квантоскопом. Лазерный кинескоп вместо обычного экрана содержит поверхность в виде полупроводникового лазера, которая под действием электронного луча излучает когерентный поток света. Последний посредством объектива 02 проецируется на светочувствительную поверхность (люминесцентный экран или фотопластинку), на которой, таким образом, осуществляется реконструкция голограммы. Для получения изображения объекта голограмму следует осветить световым потоком от лазера Л2.
Реализация голографического телевидения сопряжена с необходимостью решения многих технических проблем. В числе их создание передающих и приемных трубок с весьма высоким разрешением и каналов связи с широкой полосой частот. Полоса частот, необходимая для воспроизведения голограммы, равна
172
Л/= 2SS2FK,
где 5— площадь голограммы на мишени передающей трубки; Д — частота смены кадров в секунду.
Если принять X = 0,63 • 10"6 м, 0 = 10’, 5 = 20 мм2, FK = 25 Гц, то требуемая полоса частот канала связи составит Д/= 76 МГц. Как видно из формулы, уменьшить значение Д f можно за счет снижения частоты кадров, что равнозначно передаче изображений только неподвижных или малоподвижных объектов.
8.6. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ДАЛЬНОМЕР
Стереоскопические телевизионные датчики могут использоваться не только для получения объемного изображения в системах визуального наблюдения, но и в измерительных системах. Примером служит применение стереоскопического датчика (СТД) для измерения дистанции до объекта. Измерительная система содержит двухкамерный СТД, измеритель линейного параллакса ИЛП, вычислитель дальности ВДк регистрирующее устройство РУ(рис. 8.18). На рис. 8.19 показан ход лучей в оптической системе СТД
Оптическая система состоит из двух одинаковых объективов О1 и 02 с параллельными осями. Точка А, расположенная на объекте, до которого определяется дальность Д, проецируется объективами на плоскость изображений, совпадающую со светочувствительными поверхностями фотопреобразователей. Из рисунка следует
Д I _1 + ь,
Г Х2 xt
где/' — фокусное расстояние объективов; b — база.
Из приведенного соотношения определяется искомая дальность:
Д = ГЬ/р,
где р — линейный параллакс, р = х-[-х1.
Рис. 8.18. Структурная схема стробоскопического телевизионного дальномера
173
Поскольку величины би/' являются постоянными, измерение дальности сводится к измерению линейного параллакса р. Ошибка в измерении дальности линейно зависит от погрешности измерения линейного параллакса Д/г.
я2
ДД = ^-Др.
bf
Для увеличения точности измерения следует выбирать объективы с большими фокусными расстояниями (до 200 мм и более), что уменьшает поле зрения системы. При использовании в качестве фотопреобразователей матриц ПЗС погрешность Др может составить несколько сотых до-
Рис. 8.19. Принцип действия стереоскопического дальномера
лей размера элемента, что при базе около 1 м и дистанции 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. Применяется также маркировка объекта, предварительное оконтуривание изображения, а в сложных случаях — корреляционный метод обработки.
Глава 9. УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ
В телевизионной технике широко применяются различные устройства запоминания оптических изображений и видеосигналов в целях их обработки и последующего воспроизведения. В вещательном телевидении с помощью устройств памяти осуществляется преобразование стандартов разложения, изменение масштаба и различные деформации изображений, а также консервация телевизионных программ. В прикладном телевидении устройства памяти позволяют селектировать и запоминать для последующей обработки отдельные информативные кадры, изменять скорость считывания информации, при низкой частоте поступления информации в систему (низкой частоте смены кадров на передающей стороне) воспроизводить информацию с частотой, при которой не заметны мелькания изображения.
По принципу записи (характеру носителя) устройства памяти можно разделить на фотографические, магнитные, полупроводниковые и на запоминающих трубках. Фотографические устройства запоминают непосредственно оптическое изображение, остальные — видеосигнал. Фотографическая запись изображений применяется, в частности, в фототелевизионных системах (см. п. 10.3). В качестве устройств памяти в телевидении могут применяться и другие оптические средства (например, голограммы).
Одним из основных параметров устройств памяти является их объем. Наибольшим объемом памяти обладают устройства магнитной видеозаписи (видеомагнитофоны), наименьшим — фотографические устройства и электронно-лучевые трубки. Объем их памяти ограничен одним кадром.
9.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ УСТРОЙСТВА ПАМЯТИ
Твердотельные полупроводниковые устройства памяти непосредственно связаны с цифровыми методами обработки изображения, в связи с чем получили название цифровых запоминающих устройств (ЗУ). Конструктивно ЗУ выполняются на основе интегральных микросхем, количество и емкость которых определяют общий объем памяти устройства. В телевидении применяются ЗУ с информационной емкостью от одной строки до нескольких десятков кадров. Если принять информационную емкость одного отсчета 7 бит/элемент, что соответствует 128 уровням квантования видеосигнала, то для запоминания одной строки, содержащей 500 элементов разложения, потребуется информационная емкость ЗУ/ 3,5 кбит. Соответственно для запоминания одного кадра, состоящего из 575 строк, необходима информационная емкость около 0,3 Мбит. В настоящее время максимальное количество информации, хранимой в одной большой интегральной схеме (БИС), составляет 1,0—1,5 Мбит [61]. Следовательно, такое ЗУ способно запомнить 3—5 полных телевизионных кадров. Наращивание количества микросхем позволяет увеличить объем памяти ЗУ до нескольких десятков Мбит, т. е, записать программу продолжительностью 5—Юс. Блок памяти, состоящий из нескольких секций, позволяет
175
увеличить продолжительность записи до 1 мин. Из приведенного примера следует, что цифровые ЗУ не пригодны, по крайней мере, в настоящее время, для консервации телевизионных программ и не могут в этом плане конкурировать с видеозаписью на магнитную ленту или магнитный диск. Вместе с тем они позволяют сравнительно легко по заданной адресной программе производить различные манипуляции с записанной информацией. Распространенным в прикладном телевидении 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 изображения или изменение его размеров, создание новых изображений, изменение формата кадра и т. д. Управление этими операциями обычно производится с помощью мини-ЭВМ [47]. Для работы системы в реальном времени необходимо, чтобы ЗУ обеспечивало одновременную запись и считывание информации. Возможно также разделение этих операций во времени. При этом для записи сигналов используется время обратных ходов по строкам и кадрам.
9.2. УСТРОЙСТВА МАГНИТНОЙ ВИДЕОЗАПИСИ
Магнитная запись и последующее воспроизведение электрических сигналов базируется на способности ферромагнитных материалов намагничиваться под действием сигнала и затем продолжительное время сохранять остаточную намагниченность. Таким образом, физическая сущность магнитной записи телевизионных и звуковых сигналов одинакова. Применяют магнитные носители трех видов: ленту, барабан, диск. Наибольшее распространение получила лента, состоящая из полиэфирной основы (лавсана) и тонкого магнитного слоя. Лавсан обладает хорошими механическими свойствами, позволяющими многократно записывать и вос-
Записыеаемый сигнал
лента
Рис. 9.1. Структурная схема устройства магнитной записи и воспроизведения электрических сигналов (ол— скорость движения ленты)
176
Рис. 9.2. Магнитная головка:
1 — технологический зазор; 2—обмотка; 3—магнитопровод; 4—рабочий зазор; 5—ферромагнитный слой; 6—основа магнитной ленты
Магнитная головка пред-
производить электрические сигналы без заметного их искажения. Толщина основы составляет 12—38 мкм, толщина рабочего слоя 6—16 мкм. Ширина выпускаемых лент колеблется от 3,8 до 50,8 мм.
Обобщенная структурная схема устройства, осуществляющего запись и воспроизведение любых электрических сигналов на магнитной ленте, показана на рис. 9.1. В устройстве три магнитные головки: стирания ранее записанных сигналов ГС, записи сигналов ГЗ и их воспроизведения ГВ. Записываемый сигнал через усилитель записи поступает в обмотку головки ГЗ и создает в ее сердечнике магнитный поток, намагничивающий ленту при ее движении в зоне действия головки. Для согласования параметров сигнала с трактом записи сигнал предварительно преобразовывают с помощью модулятора. В частности, при записи видеосигналов используют частотную и широтно-импульсную модуляции, а в необходимых случаях — цифровое преобразование сигнала.
При воспроизведении сигналов намагниченная лента проходит через головку ГВ и наводит в ней электродвижущую силу, которая образует сигнал, преобразуемый в демодуляторе и затем усиливаемый в усилителе. Стирание ранее записанных сигналов осуществляется головкой ГС, питаемой от генератора высокочастотных колебаний или от источника постоянного тока. Высокочастотные колебания подаются также в модулятор и далее в записывающую головку для повышения линейности амплитудной характеристики канала.
Все головки обычно одинаковы по конструкции и различаются только параметрами,
ставляет собой магнитопровод, набираемый из тонких листов ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью и имеющий зазор. Зазор Д выполняется из немагнитных прокладок (стекла, бронзы) и служит для создания локального магнитного поля (рис. 9.2). Кроме рабочего зазора Д в головку записи вводят еще технологический зазор, предназначенный для предотвращения остаточного намагничивания сердечника.
Рабочий зазор Д, обычно равный 1—5 мкм, оказывает прямое влияние на максимальную воспроизводящую частоту электрического сигнала, которая составляет
Znax =ил.г/^min = г,л.г/2А>
где ия г — скорость движения ленты относительно головки; Д = X.min/2 (Xmin~ минимальная длина волны сигнала).
Отсюда следует, что для записи звуковых сигналов с максимальной частотой fmsx = 20 кГц и при зазоре Д = 3 мкм требуется скорость г = = 0,12 м/с, а для записи телевизионных сигналов с максимальной частотой fmax= 6,5 Мтц — скорость 14 г=40 м/с.
Рассмотрим частотную характеристику узла «лента - головка» (рис. 9.3). Если записывать на ленту гармонический сигнал с частотой го , то в иде-
Зак. 352
12
177
Рис. 9.3. Частотная характетисгика узла «лента — головка*
альной, т. е. не вносящей искажений, магнитной системе поток вдоль оси ленты х будет распределяться по закону
- - . <о
Ф = ФМ sin—X, (91)
где Фт - амплитуда магнитного потока; v3 — скорость перемещения ленты при записи.
При воспроизведении сигнала индуцированная ЭДС Е
пропорциональна числу вит-
ков головки воспроизведения FF, поскольку в соответствии с формулой (9.1)
£ = -Ж^- = ФиЖф^-со8(эГ. (92)
В формуле (9.2) произведена замена переменных х= vj, где ов — скорость воспроизведения. Обычно vB = v3 и тогда
£ = <Z>rairrocos mt. (9.3)
Таким образом, ЭДС оказывается пропорциональной частоте. Крутизна идеализированной частотной характеристики (сплошная линия на рис. 9.3) такова, что с увеличением частоты в два раза ЭДС также увеличивается в два раза. Поэтому говорят, что крутизна частотной характеристики равна 201g 2 = 6 дБ на октаву (октава — 8 тонов музыкальной гаммы, причем 8-й тон имеет вдвое большую частоту, чем первый). Реальная характеристика имеет искажения в области как нижних, так и верхних частот (штриховая линия на рис. 9.3). В верхней области искажения обусловлены тем, что соотношение (9.3) справедливо лишь в том случае, когда воспроизводимая длина волны превышает размеры головки. Низкочастотные искажения появляются в результате того, что значительная часть магнитного потока рассеивается, не пересекая обмотку.
Из рис. 9.3 следует, что, во-первых, магнитные головки имеют существенно неравномерную частотную характеристику, требующую коррекции в усилительном тракте, и, во-вторых, диапазон записываемых частот, даже при наличии коррекции, оказывается сравнительно небольшим (не более - 10). Для передачи требуемого диапазона частот
Znax /Znin 1,3 • 105 применяют частотную модуляцию сигнала с переносом его спектра в более высокочастотную область, что позволяет сжать частотный диапазон, т. е. уменьшить отношение высшей частоты спектра к низшей.
Рассмотрим особенности построения устройств магнитной записи и воспроизведения видеосигнала. В связи с требованием высокой скорости записи сигналов изображения, что вытекает из их широкополосности, в устройствах видеозаписи (видеомагнитофонах) применяются попереч
178
но-строчная и наклонно-строчная записи, осуществляемые с помощью вращающихся головок. Головки располагаются на вращающемся диске. При этом скорость перемещения ленты относительно головки плг будет равна сумме окружной линейной скорости перемещения головки ит и скорости поступательного движения ленты пл, т. е.
i>= Ч. + cos 0,
где 0 — угол наклона строчки записи, т. е. угол между векторами скоростей vr и vx.
Для поперечно-строчной записи применяется диск с четырьмя симметрично расположенными и последовательно соединенными головками (рис. 9.4, а, б). Преобразованный в модуляторе частотно-модулированный сигнал подводится к головкам, которые поочередно осуществляют запись. При этом запись в конце и начале строчек производится одновременно двумя головками, что исключает пропуск записи. Поскольку в рассматриваемом случае угол 0 = 90°, то скорость записи пл г будет целиком определяться скоростью перемещения диска пг. От скорости движения ленты зависит только поперечная плотность записи. Поэтому стабильность скорости записи, влияющая на качество воспроизведения видеосигнала, будет зависеть только от скорости перемещения диска.
Различные виды деформации ленты не влияют на качество воспроизведения, что является важным достоинством поперечно-строчной записи, которая применяется в профессиональных студийных видеомагнитофонах. Для поперечно-строчной записи используют магнитную ленту шириной 50,8 мм. Длина строчек 46,2 мм, ширина 0,25 мм, а расстояние между ними 0,15 мм. Диск диаметром 52 мм с головками вращается с частотой 250 с-1, откуда линейная скорость перемещения ленты ил = (0,25 + 0,15) 4 • 250 = 40 см/с (стандартная скорость ил = 39,7 см/с). Скорость записи составляет пл г = = пг = 46,2 м/с.
Параметры студийных видеомагнитофонов с поперечно-строчной записью стандартизованы, что позволяет обмениваться телевизионными программами. Для обеспечения высокого качества воспроизведения в видео
Рис. 9.4. Диск видеоголовок (о) и расположение дорожек на магнитной ленте при поперечно-строчной записи (б):
Г — дорожка звукового сопровождения; 2 — дорожка сигнала управления
\2
179
магнитофонах применяют три системы автоматического регулирования: скорости ленты, частоты вращения диска и натяжения ленты. С помощью датчика оборотов на специальной дорожке записываются сигналы управления. На дорожке, расположенной на противоположной стороне ленты, записываются сигналы звукового сопровождения. Студийные видеомагнитофоны сложны в эксплуатации, требуют тщательного регулирования и периодической замены видеоголовок вследствие частого их износа. Более простыми и удобными в эксплуатации, но не обеспечивающими столь высокого качества записи и воспроизведения видеосигналов являются видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью и одной или двумя вращающимися головками.
В устройствах этого вида запись на ленту осуществляется строками, расположенными относительно направления движения ленты под углом 0 = 2 4 .3°. Барабан 1 одноголовочного видеомагнитофона (рис. 9.5, а, б) состоит из верхней и нижней частей, в зазоре между которыми вращается диск с головкой 2. Движущаяся магнитная лента 3 шириной 25,4 мм облегает барабан по спирали таким образом, чтобы смещение ленты по образующей барабана было не меньше ширины самой ленты. Двигатель расположен внутри барабана, головка несколько выступает над его поверхностью. В результате вращения диска головка прочерчивает на ленте наклонную дорожку (строчку) под углом 0. Длина дорожки 400 мм при диаметре барабана 500 мм. За один оборот диска, вращающегося с частотой 3000 об/мин, образуется одна дорожка, на которой записывается полностью один полукадр. Скорости ил г и ил примерно такие же, как и при поперечно-строчной записи.
Управляющие и звуковые сигналы записываются на краях магнитной ленты. При этом они пересекают дорожки, на которых записан телевизионный сигнал. Однако искажений изображения при этом не наблюдается, так как места пересечения соответствуют краям кадровых гасящих импульсов, т. е. обратным ходам кадровой развертки. Искажений звука не происходит из-за различных полос частот сигналов и расположения дорожек. Переход головки от одного края ленты к другому сопровождается некоторой потерей информации. Однако этой информацией является кадровый гасящий импульс, который восстанавливается затем с помощью специального регенератора. Двухголовочные видеомагнитофоны имеют ту же конструкцию, что и одноголовочные.
Рис. 9.5. Барабан с видеоголовкой (а) и расположение дорожек на магнитной ленте при наклонно-строчной записи (б)
б)
0
180
Более низкое качество наклонно-строчной записи по сравнению с поперечно-строчной объясняется в первую очередь тем, что стабильность скорости записи зависит от скорости протягивания ленты, т. е. качества лентопротяжного механизма и самой ленты (растяжение при изменениях температуры, влажности и степени трения о барабан). Важным фактором является также влияние поперечных колебаний ленты. Однако видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью конструктивно намного проще четырехголовочных, кроме того, износ головок и расход ленты у них намного меньше. Поэтому такие видеомагнитофоны применяют в качестве переносных (в том числе бытовых) аппаратов. Разработка же новых, более совершенных конструкций лентопротяжных механизмов и улучшение качества их изготовления способствуют улучшению параметров видеомагнитофонов с наклонно-строчной записью и приближают их к профессиональным стационарным аппаратам. Одновременно прилагаются усилия, направленные на уменьшение размеров лентопротяжных механизмов. Переход на более узкую ленту (1/2 дюйма и менее) и увеличение скорости вращения головок позволили существенно сократить размеры видеозаписывающих устройств, которые являются составной частью видеокамер.
Следует отметить, что преимуществом наклонно-строчной записи является возможность замедленного воспроизведения изображений (вплоть до воспроизведения в режиме стоп-кадра), которое достигается многократным воспроизведением одного и того же поля, записанного на одной дорожке. Для этого движение ленты замедляется или полностью останавливается.
В связи с развитием цифровой техники телевидения появилась необходимость в создании цифровых видеомагнитофонов. Достоинством цифровой записи является то, что исключается влияние нелинейности тракта «запись — воспроизведение» на качество изображения, так как магнитная лен-та перемагничивается из одного крайнего состояния в противоположное и обратно.
Возможны последовательная и параллельная цифровые записи. При последовательной записи весь входной цифровой поток записывается на одной дорожке. При параллельной записи каждому разряду отводится самостоятельная дорожка. Такая запись называется многоканальной и осуществляется блоком магнитных головок. Головки в блоке разделяются экранами. Современная технология позволяет создавать блоки с числом головок, доходящим до 84, при этом расстояние между дорожками составляет 0,3-0,5 мм. При записи больших объемов информации, осуществляемой со скоростями, принятыми в цифровом телевидении, единственно приемлемым оказывается параллельный способ. В этом случае снижаются полоса частот записываемых сигналов и скорость протягивания ленты до принятого уровня.
9.3. ЛИТОКОН
Мишень запоминающей электронно-лучевой трубки - литокона - представляет собой подложку из кремния, выполняющую роль сигнальной пластины, на поверхность которой нанесена мозаика из диоксида кремния, имеющего высокое удельное сопротивление (около 1018—1019 Ом • см).
181
Литокон имеет форму и размеры стандартного дюймового или полуторадюймового видикона и аналогичную ему электронно-оптическую систему. На односторонней мишени литокона электронным лучом последовательно осуществляется стирание ранее записанной информации, запись сигнала и затем его многократное воспроизведение со скоростью, определяемой принятым стандартом разложения. Управление всеми операциями осуществляется из специального блока.
Из одного режима работы в другой трубка переводится изменением напряжения на сигнальной пластине. При стирании на кремниевую подложку подается потенциал около + 16 В. При этом коэффициент вторичной эмиссии о < 1 и каждый изолированный элемент мишени при многократном сканировании лучом приобретает потенциал катода, обычно равный нулю. Таким образом, перед записью каждый элемент мозаики имеет потенциал на 16 В ниже потенциала подложки. Запись осуществляется пучком «быстрых» электронов (ст > 1), для чего на подложку подается потенциал + 200 В. При таком потенциале ст = 5 4- 6 и поверхность элементов мишени заряжается положительно. Величина заряда определяется плотностью электронного пучка, который модулируется записываемым видеосигналом, подаваемым на управляющий электрод. При отсутствии видеосигнала луч полностью заперт и потенциал элементов остается близким к нулю. В результате этой операции на мишени образуется потенциальный рельеф глубиной до 4 В.
Переход к воспроизведению записанного сигнала снова сопровождается переводом пучка в режим «медленных» электронов (ст < 1), для чего на подложку подается напряжение + 8 В. При этом потенциал элементов мишени будет изменяться относительно подложки от 0 до - 4 В в зависимости от глубины потенциального рельефа. Сигнал при считывании создается за счет электронов пучка, достигающих проводящей подложки в промежутках между элементами диэлектрической мозаики. Число электронов, попадающих на подложку, зависит от распределения потенциалов, образованных как на элементах мозаики, так и в промежутках между ними над проводящими участками мишени. Потенциал над проводящими участками зависит также от коэффициента заполнения мозаики, т. е. отношения размера элемента к ее шагу. Время воспроизведения сигнала (время памяти) зависит оттока луча, остаточного давления газа в баллоне и емкости мишени и может достигать 10 мин и более. Остаточный газ является источником положительных ионов, которые оседают постепенно на элементах мозаики.
Напряжение на электродах литокона во всех режимах его работы следует подбирать таким, чтобы была обеспечена запись потенциального рельефа, допускающая многократное неразрушающее считывание записанной информации. Литокон обладает способностью при выключенном луче сохранять записанный потенциальный рельеф длительное время без ухудшения разрешающей способности трубки.
Глава 10. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА
Телевизионные системы, предназначенные для общего обзора пространства и поиска в нем интересующих наблюдателя объектов, составляют основную группу систем прикладного телевидения, как по количеству выпускаемой и вновь проектируемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач. Обзорные системы служат для визуального наблюдения и автоматического обнаружения и опознавания объектов и могут бьггь черно-белыми, стереоскопическими, цветными, аналоговыми или цифровыми.
С точки зрения экономической целесообразности желательно, чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, т. е. бьггь в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает необходимость автоподстройки режима функционирования системы при изменении внешних условий наблюдения, таких, как освещенность, расстояние до объекта и др. Универсальность использования характерна в основном для аппаратуры так называемого промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серийно. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу входят специализированные системы: подводные, малокадровые, фототелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Режим их функционирования выбирается обычно исходя из необходимости решения относительно узкого круга задач.
10.1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ
К промышленным телевизионным установкам (ПТУ) принято относить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения и контроля за различного рода объектами, находящимися на улице, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях банков, станциях метрополитена и т. д. Универсальность ПТУ позволяет применять их в системах охранной сигнализации, системах технического зрения и в качестве датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной особенностью ПТУ является работа в режиме стандартного разложения с чересстрочной разверткой. ПТУ, как правило, предназначены для работы в видимом диапазоне излучений, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолетовый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.
Структурные схемы современных ПТУ весьма разнообразны и отличаются в основном набором элементов, количество и назначение которых диктуется выполняемыми задачами, и допустимой (с позиции заказчика) стоимостью аппаратуры.
На рис. 10.1 представлена схема установки, в комплект которой входят четыре камеры (ПК), два видеоконтрольных устройства (ВКУ), видеомагнитофон (ВМ), два пульта управления (ПУ) и видеокоммутационный центр (В КП). На ВКУ2 одновременно можно наблюдать изображения, поступающие со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор изображения с любой каме-
183
Рис. 10.1. Структурная схема промышленной телевизионной установки
ры осуществляется вручную или по заданной программе. Видеомагнитофон подключается с любого пульта управления для регистрации интересующего наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав аппаратуры могут включаться поворотные устройства камер, видеообнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства маскировки камер и т. д. В зависимости от окружающей среды камеры могут термостатиро-ваться, помещаться в герметичные, пылебрызгозащитные, рентгенозащитные или иные специальные корпуса.
В настоящее время в качестве фотопреобразователей для передающих камер ПТУ применяются как трубки класса видикон, так и матрицы ПЗС. Передача полного ТВ-сигнала, формируемого в камере, производится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, занимаемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции одной из несущих частот, стандартизированных в ТВ-вещании. В последнем случае для воспроизведения изображений можно использовать обычные телевизоры, а длина кабеля может достигать одного километра и более.
Передающие камеры ПТУ, как правило, комплектуются предприятиями-изготовителями стандартными объективами для фото-и киноаппаратуры, хотя такую практику с технической точки зрения и нельзя считать оптимальной по следующим причинам. Во-первых, хроматические аберрации таких объективов корректируются в области спектральной чувствительности кинопленки, существенно отличающейся от спектральной чувствительности большинства телевизионных фотопреобразователей, во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учитывается, что проецирование изображения на фоточувствительную поверхность производится в телевизионных камерах через переднее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло матрицы ПЗС. При этом световые пучки, падающие под углами к оптической оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что ухудшает разрешающую способность системы. Это сказывается тем больше, чем шире угол зре
184
ния объектива. В связи с этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объективов, специально предназначенных для вещательного телевидения. В их обозначение добавляется буква «Т», например «МИР-ЮТ». Однако эти объективы рассчитаны в основном для работы с трубками типа суперортикон, имеющими значительно больший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и матрицы ПЗС.
При согласовании параметров передающей камеры ПТУ с условиями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать вопрос о выборе объектива или о соответствии установленного в камере объектива конкретным требованиям. В первую очередь при выборе объектива следует учитывать заданный или заранее рассчитанный угол зрения камеры, связанный с фокусным расстоянием соотношением
/ = ^ФД218у^, (10.1)
где — ширина изображения на фотослое; р0 — угол зрения в горизонтальной плоскости.
Аналогично
f = h^[2tS^,
где — высота изображения; а0 — угол зрения в вертикальной плоскости.
При предварительном выборе значений углов ро и а0 следует учитывать то, что на краях поля зрения изображение получается менее резким и ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусного расстояния, так и от относительного отверстия D/f. Для определения угла резкого изображения Рр можно воспользоваться эмпирическим соотношением [31]
0,12-0,15
tg Р ~ (D/f)^f/100 ' <10-2)
На основании выражений (10.1) и (10.2) окончательно устанавливается необходимый угол зрения объектива и его фокусное расстояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходящий объектив [4].
Легкий переход от широких полей зрения, обеспечивающих общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознавание объекта, придает вариообъектив. Промышленностью выпускается достаточно много вариообьективов, пригодных для использования с видиконами, имеющими размер мишени 12,7 х 9,5 мм [4]. Эти объективы обладают значительным диапазоном фокусных расстояний. Следует однако иметь в виду, что применение вариооптики значительно увеличивает размеры и массу камеры, а при наличии устройства дистанционного управления объективом и усложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае может бьггь использование узкопольного объектива и поворотного устройства, на котором крепится камера, позволяющего последовательно осуществлять широкий обзор пространства.
185
Практически во всех передающих камерах ПТУ предусматриваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых яркостей. В связи с этим укажем, что динамический диапазон большинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не превышает 50-100, а матриц ПЗС -1000.
Вместе с тем для универсального применения передающих камер может понадобиться расширение динамического диапазона до 104—105. Для этого в камерах на видиконах применяют устройство авторегулирования напряжения на сигнальной пластине, а в камерах на ПЗС — авторегулирование времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объектива и регулирование пропускания специальных светофильтров, устанавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регулирующих устройств заключается в том, чтобы при изменениях освещенности объекта внутри заданного диапазона значения видеосигнала не выходили за пределы действующего рабочего участка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наиболее светлой градации яркости должен оставаться примерно постоянным. Отметим, что применение оптических методов и регулирования времени накопления зарядов стабилизирует экспозицию, сообщаемую ФЭП, в то время как регулирование потенциала сигнальной пластины видикона приводит к изменению положения светосигнальной характеристики и ее крутизны (см. рис. 3.10), т. е., в конечном счете, кизме-нению световой чувствительности трубки.
Существует рад способов автоматического регулирования напряжения на сигнальной пластине видикона при изменении его освещенности. Один из них иллюстрируется схемой с пиковым детектором на входе (рис. 10.2). Видеосигнал размахом 1,5-2,0 В поступает на пиковый детектор (диоды KD1, VD2 и конденсатор С2), напряжение с которого поступает на базу усилителя постоянного тока, а с выхода последнего — на сигнальную пластину видикона. Увеличение освещенности трубки приводит к повышению уровня видеосигнала и напряжения на базе транзистора, что спо-
Рис. 10.2. Схема автоматического регулятора напряжения на сигнальной пласгийе видикона
186
Рис. 10.3. Регулировочная ха-ракгеристика напряжения на сигнальной пластине видикона
балансную дифференци-
собствует уменьшению его сопротивления и, следовательно, уменьшению напряжения на выходе устройства (рис. 10.3). Резистор Л служит для установления первоначального напряжения на сигнальной пластине Uc п. Недостатком схемы является опасность возникновения самовозбуждения в предварительном усилителе, который оказывается связанным со схемой автоподстройки. Чтобы ликвидировать этот недостаток, рекомендуется вводить управляющее напряжение вместо сигнальной пластины в катод видикона [43].
Для управления диафрагмой объектива можно использовать видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное напряжение с которого после усиления поступает на
альную схему (рис. 10.4). При изменении освещенности фотопреобразователя сигнал также изменяется, и на выходе балансной схемы образуется управляющее напряжение соответствующего знака.
В рассмотренных случаях стабилизация силы 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 силу тока сигнала видикона с помощью различных электрооптических светофильтров, изменяющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с использованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, широкими пределами регулирования светопропускания, но требует подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает большим светопоглощением. Светофильтры на основе электрохромных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до нескольких секунд), управляются низкими напряжениями, измеряемыми единицами вольт.
Рис. 10.4. Структурная схема устройства управления диафрагмой объектива
187
В импульсных системах стабилизировать выходной сигнал можно за счет изменения длительности экспонирования фотопреобразователя, для чего перед ним устанавливается электрооптический затвор. В качестве затвора можно использовать электронно-оптический преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В суперкремниконе в качестве электронного затвора может служить секция переноса изображения, в которую добавляют специальный электрод.
Регулирование времени накопления зарадов для стабилизации величины видеосигнала удобно осуществлять в матрицах ПЗС путем автоматического управления длительностью импульсов, поступающих в накопительную секцию. На рис. 10.5, а представлена схема управления, примененная в камере КТП-79 и позволяющая стабилизировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от 4 до 20 лк.
Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью, зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход операционного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью пикового детектора VD1, VD2, С5 видеосигнал преобразуется в постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоянного тока (операционный усилитель У2). Выходное напряжение регулируется резистором R4, изменяющим чувствительность схемы. С выхода У2 напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе УЗ. На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на транзисторах VT1 и VT2 и конденсаторе С6 (транзистор VT2 служит для стабилизации тока заряда конденсатора в целях повышения линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами Ц, как это показано на рис. 10.5, б. В момент времени происходит сравнение двух напряжений U2 и U3, и на выходе компаратора формируется двухполярный сигнал управления UA, который затем ограничивается диодом VD4 и преобразуется в однополярный сигнал U5.
К числу автоматических устройств, применяемых в передающих камерах ПТУ, относятся устройства автоматической фокусировки объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения. Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно применять в тех случаях, когда глубина резко изображаемого пространства недостаточна (например, при использовании длиннофокусных объективов). Критерием расфокусировки обычно служит информация о резкости или детальности изображения, которым в видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составляющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошибки) указанную информацию необходимо иметь как минимум при двух положениях объектива. На рис. 10.6 представлена структурная схема системы автофокусировки, в которой в качестве характеристики управления используется детальность многофадационного изображения, определяемая как
где Uc — напряжение видеосигнала; Тк — время кадра.
188
a)
1 Кадровый гасящий импульс
2 -6 В
3 + 6В
4 Вход видео
5 Сигнал управления
6 Корпус
Рис. 10.5. Схема формирования сигнала управления чувствительностью матрицы ПЗС (а) и эпюры напряжений (ff)
189
Рис. 10.6. Структурная схема устройства автофокусировки объектива
Принцип действия системы основан на том, что в сфокусированном состоянии объектива детальность изображения должна быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается на формирователь Ф, в котором производятся операции дифференцирования, усиления и ограничения в соответствии с заданным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограничения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2. Делитель частоты уменьшает число импульсов напряжения до значения, отвечающего емкости счетчиков. Счетчики служат для суммирования импульсов и запоминания значения Du. В счетчике С1 запоминается значение детальности, соответствующее одному положению объектива, в счетчике С2— другому положению. Для получения второго значения необходимо переместить объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периодической посылкой специального испытательного сигнала. Оба значения детальности сравниваются между собой в устройстве сравнения УС, и в зависимости от знака полученного результата объектив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с помощью исполнительного устройства ИУ.
Недостатком устройства является ухудшение условий наблюдения при испытательных перемещениях объектива, поэтому в телевизионном датчике желательно предусматривать отдельный канал автофокусировки.
Если наблюдателя интересует один или несколько конкретных объектов, расстояние до которых может изменяться независимо от общей обстановки, можно использовать метод автофокусировки объектива, основанный на применении импульсного лазерного дальномера [4]. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в направлении объекта пучок ИК-лучей малой расходимости. Отраженный сигнал принимается фотоприемником, и полученная информация после обработки используется для формирования управляющего сигнала.
Применение в телевизионном датчике импульсного светодальномера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить специальные регулировки, направленные на сохранение постоянного масштаба изображения, т. е. его размеров, и осуществление беспропускного режима наблюдения в малокадровых и импульсных телевизионных системах при непрерывном изменении расстояния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения способствует решению задач обнаружения, опознавания и контроля параметров различных объектов, а также необходимо при ис-
190
Рис. 10.7. Структурная схема устройства управления вариообъективом
пользовании телевизионной системы для картирования местности, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решения других задач.
На рис. 10.7 представлена структурная схема устройства управлениява-риообъективом, позволяющая поддерживать постоянство масштаба изображения посредством изменения фокусного расстояния, т. е. угла зрения оптической системы. Входные импульсы, поступающие от светодальноме-ра, временной интервал между которыми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирователь ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямоугольный импульс, который в схеме совпадения СС заполняется тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ Получающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобразуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов счетчика должно выбираться в зависимости от необходимой точности преобразования расстояния до объекта в двоичный код. Цифровой сигнал декодируется затем в ЦАП и в аналоговой форме через усилитель У управляет приводным устройством ПР вариообъектива ВО.
Применение в устройстве управления двойного преобразования типа «аналог—код» и затем «код—аналог» позволяет достаточно простыми средствами и с заданной точностью регулировать фокусное расстояние вариообъектива в широком интервале изменения расстояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.
ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
При использовании телевизионной аппаратуры для наблюдения за объектами, находящимися вне помещений, необходимо учитывать влияние атмосферы на дальность наблюдения. При определении дальности наблюдения за удаленными объектами следует иметь в виду, что, во-первых, происходит ослабление лучистой энергии воздушной средой и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе системы. Снижение контраста обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и, как правило, является определяющим дальность наблюдения h.
191
Рис. 10.8. Графики для определения дальности телевизионного наблюдения Л в атмосфере
Контраст на входе системы наблюдения равен
вх 1 + (ZH/Zo)(ec*-1) или, поскольку Zo= Zp/л, = Ен/п,
вх 1 + (м'/р)(еЕ*-1) ’
где Ко— контраст объекта с фоном; Zo — яркость объекта или фона (большее значение); LH — яркость насыщенного слоя атмосферы (яркость неба у горизонта); р — коэффициент отражения объекта или фона; w — коэффициент погоды; е — показатель ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км; Е — освещенность объекта и фона.
Коэффициентом погоды w называется отношение яркости ZH неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой поверхности, освещенной суммарным дневным светом. Коэффициент погоды зависит от метеорологических условий и может быть как меньше, так и больше единицы.
Из второго уравнения находим искомую дальность наблюдения:
йЦк! 1 + . (103)
е l w VА вх / _
На рис. 10.8 представлены расчетные графики для определения дальности наблюдения.
192
10.2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Подводное телевидение широко применяется при проведении различных морских исследований. К их числу относятся поиск затонувших судов и всевозможных предметов, съемка шельфа морского дна в прибрежных районах, изучение подводной флоры и фауны, обследование строящихся и эксплуатируемых подводных сооружений, в том числе плотин гидроэлектростанций, колес гидротурбин и т. д. Для этих целей предназначены специальные телевизионные системы, располагающиеся на подводных и надводных судах, в батисферах и батискафах. Следует отметить, что первые опыты по применению телевидения для подводных наблюдений были проведены в СССР проф. П. В. Шмаковым в 1935 г.
ГИДРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Существующие принципы построения подводных телевизионных систем основаны на учете оптических свойств воды, однозначно определяющих дальность видения под водой. Прозрачность воды зависит от многих факторов: глубины, времени года, наличия планктона, течений и др. Прозрачность воды на практике принято оценивать максимальной глубиной, на которой оказывается предельно различимым стандартный белый диск диаметром 30 см, опускаемый вертикально к поверхности моря. Несмотря на субъективность метода, он широко применяется в океанографических исследованиях. Ориентировочные данные о прозрачности воды, измеренной по белому диску, м, приведены ниже [13]:
Белое море................................. 8
Балтийское море.......................... 13
Баренцево море........................... 18
Черное море.............................. 25
Индийский океан ......................... 50
Тихий океан .............................. 59
Саргассово море........................... 66
Объективной характеристикой прозрачности воды является коэффициент прозрачности т, определяемый законом Бугера:
где Фх и Фо — прошедший через слой х и падающий световые потоки соответственно; е — показатель ослабления света в воде.
Формула (10.4) справедлива для однородной среды. Для неоднородной среды показатель ослабления является функцией расстояния, и тогда
I
Je(x)<fc
с = е° ,
где I — полная протяженность слоя воды.
13 193
Показатель ослабления е равен сумме показателей поглощения к и рассеяния о, т. е. е = к + о. Прологарифмировав выражение (10.4), получим формулу для показателя ослабления, 1п/м:
е - -1пт /х.
Аналогично
к = -1птп/х; ст = -1птр/х,
где Ти, тр — коэффициенты прозрачности при наличии поглощения и рассеяния света в воде соответственно.
Существует приближенная эмпирическая формула, установленная для белого света и связывающая показатель ослабления с глубиной видимости белого диска Z6, взятой в метрах:
e»3,5/Z6.
При гидрооптических расчетах часто пользуются понятием показателя вертикального ослабления естественного света у, который всегда меньше показателя е: у = ер, где р — параметр, зависящий от формы индикатрисы рассеяния и так называемой вероятности выживания фотона Л. Индикатрисой рассеяния называют график распределения рассеиваемых в воде световых лучей по углам. На рис. 10.9 показаны примеры индикатрис рассеяния, нормированных к единице при а = 90°, и характер изменения направленного светового потока Фо после прохождения его через слой воды. Как видно из рисунка, индикатрисы рассеяния воды имеют вытянутый в переднюю полусферу характер. Это благоприятно сказывается на освещенности более глубоких слоев воды, так как рассеянные лучи создают их дополнительную подсветку.
На рис. 10.10 показаны спектральные кривые показателей ослабления е, рассеяния о и поглощения к для Каспийского моря [13]. Из графика е = /(А.) следует, что наименьшему ослаблению света в воде подвергаются
синие и зеленые лучи. Коротковолновая
Рис. 10.9. Индикатрисы рассеяния света в воде: океанской (7), морской (2)
часть спектра претерпевает большое ослабление из-за сильного рассеяния, а длинноволновая часть — из- за сильного поглощения.
Ярко выраженные рассеивающие свойства воды приводят к значительному ослаблению контраста при переносе изображения из плоскости объекта в плоскость фотопреобразователя передающей телевизионной камеры. Контраст изображения объекта с фоном на входе фотопреобразователя ^связан с действительным контрастом объекта Ко соотношением
194
Квх - Ko/(1 +E^/Eo), где 7?д — освещенность фотопреобразователя, создаваемая рассеивающей дымкой; Ео — освещенность фотопреобразователя от объекта или фона (большее значение).
Освещенность от дымки можно определить путем суммирования потоков, обратно отраженных от засвеченных слоев воды толщиной dz каждый и направленных на фоточувствительную поверхность площадью ЛГф:
£д= —рф(2), (10.5)
Ф Л,
Рис. 10.10. Спектральные зависимости показателей ослабления е, рассеивания а и поглощения к
где расстояния z, h и h0 показаны на рис. 10.11.
Подынтегральную функцию можно привести к виду [35]
d<D(z) =
лх(л)стро6/)2х2е-гг
-------- — ---------E(z) dz, 64 z
(10.6)
где х (л) — значение индикатрисы рассеяния в направлении л («назад»); роб и D — коэффициент пропускания и диаметр входного зрачка объектива; х— см. рис. 10.11.
Освещенность слоя dz, находящегося на расстоянии z от объектива, будет
E(z)«-pcos^e 1 z, (W7)
где / 0 — сила света источника освещения в осевом направлении; 1г=г/СО£ 'И — расстояние по оси от источника до слоя dz.
Расчетные формулы, получен-
Рис. 10.11. К выводу формулыдля освещенности дымки Ел
ные на основе выражений (10.5) — (10.7), приведены в гл. И.
Из формулы (10.7) следует, что освещенность Е% зависит не только от рассеивающих свойств воды, но и от относительного расположения источника освещения объекта и передающей камеры с объективом О (рис. 10.11). Для уменьшения влияния дымки необходимо уменьшать область пересечения поля зрения объектива и диаграммы направленности источника освещения И (на рис. 10.11 эта область заштрихована). Желательно, чтобы источник освещения располагался не ближе чем
195
Рис. 10.12. Графики зависимости Е и 1С от базы b
за 2—3 мот камеры. На рис. 10.12 представлены графики, характеризующие зависимость значений и от базы b между камерой и источником света.
При наблюдении объекта на фоне толщи моря контраст Ко можно рассчитать по формуле
где го — коэффициент яркости объекта; гм — коэффициент яр
кости моря, ги = 0,02 4- 0,05.
Под коэффициентом яркости моря понимают отношение яркости диффузного излучения, идущего из толщи моря непосредственно под его
поверхностью под заданным углом, к яркости идеально белой матовой поверхности, освещенной естественным светом.
На изменение масштаба изображения, передаваемого подводной телевизионной системой, существенное влияние оказывает водная среда. Это объясняется разницей в показателях преломления воды п3 = 1,33 и воздуха п3 = 1. Если передающая камера помещена в батисферу, снабженную плоским иллюминатором, то, согласно рис. 10.13, будут справедливы сле
дующие соотношения:
п3 sin ср j = и2 sin ф2 = и3 sin <р3; sin ф3 = п3 sin ф3 / п3,
где и2 — показатель преломления стекла иллюминатора.
Следовательно, угол ф1 будет меньше угла ф3, т. е. угол зрения передающей камеры, помещенной в воду, оказывается меньше угла зрения той же камеры, расположенной в воздухе. Это приводит к увеличению масштаба
Рис. 10.13. Преломление световых луче в воде и воздухе
Рис. 10.14. Увеличение масштаба изображения объектов, расположенных в воде (И— иллюминатор; О — объектив; ПТ — передающая трубка)
196
передаваемого изображения (рис. 10.14). Изменение угла зрения передающей камеры будет зависеть от его абсолютного значения в воздухе. Если, например, 2<р3 = 62° (объектив типа 10-12), то для воды 2дзг = 44,6°, т. е. угловое поле зрения 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 центром радиуса кривизны сферы, что представляет определенные технологические трудности. При несовпадении обоих центров появляются дополнительные искажения, которые особенно существенны для лучей, падающих под большими углами.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
В большинстве случаев подводная телевизионная система должна обеспечить максимально возможную дальность наблюдения (исключение составляют некоторые системы наблюдения за гидротехническими сооружениями). Из анализа гидрооптических характеристик следует, что для увеличения дальности передачи необходимо применять мощные источники освещения объекта, излучающие световую энергию в зелено-голубой части спектра, а также принять специальные меры для уменьшения влияния рассеивающей дымки на контраст передаваемого изображения. Выполнению этих условий в значительной степени способствует использование лазерной техники.
Существует два основных принципа построения лазерно-телевизионных систем: 1) сканирование лазерного луча в пространстве объектов; 2) пространственное стробирование. Принцип сканирования лазерного луча реализуется в системе «бегущий луч», прием отраженного сигнала в которой производится одноэлементным фотоприемником, как правило, фотоумножителем. Размер элемента разложения определяется углом начальной 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 аналогичен предыдущему, а угол обзора равен углу сканирования.
Сущность пространственного стробирования заключается в выделении интересующего наблюдателя участка пространства путем освещения его световыми импульсами, длительность которых выбирается из условий:
где Ай — глубина стробируемого участка пространства; с0 — скорость света; h — расстояние до стробируемого участка; t3 — длительность затворного импульса.
Метод пространственного стробирования реализуется запиранием многоэлементного фотопреобразователя системы на все время, кроме времени непосредственного воздействия отраженного от заданного участка пространства светового импульса на фоточувствительный элемент. При этом
Рис. 10.15. Структурная схема импульсной лазерно-телевизионной системы, работающей по принципу пространственного стробирования
уменьшается по времени воздействия влияние рассеивающей дымки на накопитель фотопреобразователя и повышается контраст входного изображения.
На рис. 10.15 приведена структурная схема импульсной лазерно-телевизионной системы, работающей по принципу пространственного стробирования, в соответствии с которой наблюдаемый объект освещается световым потоком, излучаемым лазером со стороны зеркала 1. Одновременно импульс света со стороны зеркала 2 создает с помощью фотоголовки электрический импульс, запускающий после формирования схему регулируемой задержки. Задержанный на время, равное 2Л/с0, импульсный сигнал в свою очередь запускает устройство формирования импульсов электрооптического затвора ЭОЗ, с помощью которого регулируется процесс накопления в передающей трубке ПТ или ПЗС. Частота излучения световых импульсов лазера синхронизируется с частотой кадровой развертки.
Для импульсных лазерно-телевизионных систем могут быть использованы два типа зелено-голубых лазеров: газовый и твердотельный. Газовые лазеры, выполненные на основе инертных газов, имеют большую частоту следования, достигающую нескольких тысяч импульсов в секунду, но относительно малую импульсную мощность (до нескольких десятков киловатт) и низкий КПД. Наибольшее распространение получили лазеры на стекле, легированном неодимом. Эти лазеры генерируют световые импульсы длительностью около 10 - 20 нс с частотой следования до 50 - 60 импульсов в секунду. Длина волны излучаемой энергии X = 1,06 мкм, мощность в импульсе до 20 МВт и более. Для получения длины волны X = 0,53 мкм эти импульсы подают на монокристаллы ниобата лития или дигидрофосфата калия, играющие роль удвоителя частоты. Мощность импульсов после удвоения частоты излучения (мощность второй гармоники) снижается до 1-2 МВт.
198
Существенную роль в рассматриваемых системах играет длительность затворного (стробирующего) импульса t3. Система работает наиболее эффективно, если этот импульс совпадает по длительности с излучаемым световым импульсом /а, который после возвращения экспонирует фотопреобразователь. Если t3 > tg, увеличивается влияние рассеивающей дымки, приводящей к снижению контраста входного изображения. При 1.3 < 1Э часть энергии отраженного импульса будет расходоваться бесполезно, т. е. не участвовать в образовании зарядного рельефа на накопителе фотопреобразователя.
10.3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
К телевизионным системам летательных аппаратов (ЛА) относятся системы, располагающиеся на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах дальнего космоса. Функции, выполняемые такими системами, чрезвычайно разнообразны. Применение телевидения на атмосферных ЛА обычно преследует цели наблюдения за земной или морской поверхностью, поиск, обнаружение и измерение тех или иных параметров отдельных объектов, либо съемку участков местности.
Распространение получила аппаратура космического телевидения, охватывающая следующие области применения [10]:
космическую видеосвязь (космовидение);
научное исследование объектов космического пространства;
наблюдение за облачным покровом Земли и исследование ее природных ресурсов;
видеоконтроль функционирования систем космических кораблей и управление космическими кораблями.
Космическая видеосвязь предполагает обмен визуальной информацией между обитаемыми космическими кораблями, а также между космическими кораблями и Землей.
Системы для научных исследований и метеорологические системы служат для сбора и передачи телевизионной информации из ближних и дальних областей космоса на Землю. Носителями такой аппаратуры являются ИСЗ и аппараты дальнего космоса, на которых отсутствует человек. Начало научному исследованию космического пространства было положено в 1959 г. станцией «Луна-3», с помощью которой удалось получить изображения обратной стороны Луны. С 1965 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 используются спутники типа «Метеор-Природа», «Космос», станции «Салют» и «Мир», американские аппараты серии «Лэндсет». Задачи, решаемые в рамках этих программ, группируются по четырем направлениям: океанологии, гидрологии, геологии и лесному и сельскому хозяйству. Для выполнения различных конкретных задач наблюдения и фотометрических измерений широ
199
ко применяется спектрозональная телевизионная аппаратура, позволяющая получать информацию о малоконтрастных объектах в различных областях спектрального диапазона излучений [29].
Существенное значение приобрели системы видеотелеметрии, с помощью которых осуществляется контроль за работой различных систем космического корабля и управление его полетом. В последнем случае с помощью телевидения автоматически определяются координаты корабля, осуществляется его посадка и маневрирование.
Особое место занимает ретрансляция широковещательных и служебных программ телевидения с помощью спутников-ретрансляторов. При этом ретрансляция может осуществляться по цепи Земля—Космос—Земля, Космос—Космос—Земля и другими путями.
Широта использования телевизионных систем ЛА, особенно в научных исследованиях, предопределяет различие в принципах построения аппаратуры и ее характеристиках. Так, системы, предназначенные для исследования Луны, должны передавать информацию при освещенностях ее поверхности от 135 000 люкс до 0,75 люкс и контрастах отдельных объектов от 0,01 до 1,0. К системам для обзора земной поверхности предъявляются более низкие требования к широте динамического диапазона передаваемых яркостей, но зато особое значение приобретает необходимость наблюдения в реальном времени.
По отдельным техническим признакам телевизионные системы ЛА можно разделить на следующие группы [10]:
с электронными и оптико-механическими развертками;
с накопителями электронно-пленочного и фотопленочного типов; без накопления энергии, со строчным и кадровым накоплением; пассивные и активные;
с одновременными и раздельными во времени процессами накопления и считывания информации;
широкополосные и узкополосные системы;
замкнутые и открытые (с радиолинией связи).
К электронным телевизионным системам относятся все системы с передающими трубками и твердотельными фотопреобразователями, работающие как с накоплением, так и без накопления энергии. Системы с оптико-механическими развертками строятся либо на принципе сканирования лазерного луча в пространстве объектов (системы «бегущего луча»), либо на принципе механической развертки изображения с помощью зеркальных барабанов, вращающихся призм ит.д. Оптико-механические развертки относятся к разряду «медленных» и используются главным образом в узкополосных системах.
В системах с накоплением энергии применяются как электронно-пленочные накопители, используемые в передающих трубках и твердотельных фотопреобразователях, так и фотопленочные накопители, которые применяются в фототелевизионных системах. Изображение объекта в них вначале регистрируется на фотопленке, а затем, после ее обработки, считывается механическим или электронным путем и преобразуется в видеосигнал.
По времени накопления энергии системы подразделяются на системы без накопления энергии (диссекторные, с лазерным или оптико-механическим сканированием), со строчным и кадровым накоплением. Строчное
200
накопление энергии используется в системах с однострочной разверткой. Вертикальная развертка в этом случае осуществляется за счет поступательного движения ЛА.
Телевизионные системы ЛА, как и любые другие оптико-электронные системы, подразделяются на пассивные и активные, т. е. использующие искусственную подсветку объекта. Очевидно, что подсветку можно использовать лишь на сравнительно малых расстояниях, характерных только для атмосферных ЛА.
Обычные телевизионные системы, применяемые в вещательном и прикладном телевидении, работают в режиме, когда процесс экспонирования изображения на фоточувствительную поверхность и процесс коммутации мишени, сопровождающийся образованием видеосигнала, происходят одновременно. Однако в малокадровых, импульсных и фототелевизионных системах эти процессы оказываются разделенными во времени: сначала производится экспонирование накопительного элемента фотопреобразователя (в импульсных системах — кратковременное, в остальных случаях — любое), затем — считывание информации по памяти и, наконец, при необходимости — стирание остаточного потенциального рельефа для подготовки накопителя к новому циклу работы.
Все телевизионные системы ЛА условно разделяются на узкополосные и широкополосные, причем границей между ними установлена максимальная частота видеосигнала 100 кГц. Широкополосные системы используют главным образом для наблюдения за земной поверхностью и ее облачным покровом с самолетов и ИСЗ, имеющих орбиты до 10 км [5]. Узкополосные телевизионные системы служат для передачи информации из дальнего космоса, причем сокращение полосы частот при ограниченной мощности передатчика позволяет увеличить дальность действия системы в тысячи раз.
Большинство телевизионных систем ЛА являются системами открытого типа, т. е. служат для передачи информации по радиоканалу. Однако на борту самолетов и космических аппаратов могут использоваться и замкнутые системы, выполняющие вспомогательные функции, которые облегчают управление носителем и сбор научной информации.
МАЛОКАДРОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Малокадровые телевизионные системы получили широкое распространение в качестве средств наблюдения за земной поверхностью с космических и атмосферных ЛА. Их используют также в видеотелефонах и системах технического зрения. Для уяснения преимуществ малокадрового метода передачи изображений напомним, что обычная многокадровая система обладает огромной пропускной способностью: при 5 • 105 элементах изображения и 10 градациях яркости, которые может принять каждый элемент, количество информации, передаваемое за 0,04 с (время одного кадра), составляет N= 5 • 105 log210 дв. ед. Такое количество информации, которое не может быть воспринято зрительным анализатором за столь малый промежуток времени, поскольку пропускная способность зрения в сотни тысяч раз меньше, передается только для того, чтобы создать иллюзию слитности движения наблюдаемых объектов и устранить мелькание воспроиз-
201
Рис. 10.16. Принцип наблюдения за земной поверхностью с помощью малокадровой системы
водимых изображений. Если отказаться от этих требований, можно за счет увеличения времени передачи кадра намного сократить пропускную способность системы, уменьшив полосу пропускаемых видео- и радиотрактом частот и одновременно повысив помехоустойчивость системы. При этом устраняется сильная в многокадровых системах межкадровая корреляционная связь.
Таким образом, сущность малокадрового метода заключается в накоплении и передаче только тех изображений, которые существенно различаются по смысловому содержанию. Пример передачи изображения в малокадровой системе иллюстрируется рис. 10.16. Поступательно движущийся носитель (самолет, вертолет) просматривает земную поверхность последовательно расположенными участками, величина которых в направлении движения 1= v Г, где v — скорость движения носителя, Т— период экспонирования фотопреобразователя, равный времени передачи одного кадра. Время экспонирования фотопреобразователя выбирается таким, чтобы скоростное смазывание изображения, ухудшающее его качество, не превышало определенных, наперед заданных, пределов. Таким образом, при заданной площади захвата наблюдаемой поверхности частота смены кадров должна однозначно определяться скоростью движения носителя. Воспроизведение передаваемых изображений осуществляется на кинескопе с длительным послесвечением или с помощью специального устройства памяти.
Для беспропускного режима работы рассмотренной системы удобно использовать вариообъектив. При изменении высоты полета h (рис. 10.16) для поддержания постоянства величины I необходимо изменять фокусное расстояние вариообъектива/' в соответствии с формулой/' = dh/l, где d— размер фоточувствительной поверхности фотопреобразователя. Эта регулировка осуществляется автоматически с помощью управляющего напряжения, связанного с изменяющимся расстоянием h.
202
Если кроме высоты может изменяться также и скорость полета носителя, то для поддержания постоянства размера наблюдаемого участка по-верхности I необходимо изменять частоту экспонирования фотопреобразователя Рэ, поскольку I = v/F3. Автоподстройка значений f и Fg осуществляется с помощью специального блока управления, алгоритм функционирования которого зависит от возможности изменять частоту экспонирования плавно или дискретно [19]. Если пределы изменения частоты экспонирования ограничены, что характерно для многих активных систем, а скорость v становится чрезмерной, то для обеспечения беспро-пускного режима наблюдения приходится увеличивать размер участка /, уменьшая при этом масштаб изображения. Очевидно, что эта операция осуществляется путем уменьшения фокусного расстояния
Таким образом, малокадровая система относится к разряду узкополосных систем с покадровым накоплением и разделенными процессами записи и считывания информации, т. е. накоплением и коммутацией потенциального рельефа в передающей трубке. Для реализации этого режима используют специальные видиконы, способные удерживать зарядный рельеф на все время его коммутации, а также матрицы ПЗС.
Малокадровый метод передачи изображений был осуществлен в целях получения снимков Луны и Марса, а также облачного покрова Земли. На рис. 10.17 представлена структурная схема телевизионной аппаратуры, установленной на метеорологических спутниках системы «Метеор» [5,10]. В системе, предназначенной для регистрации облачного покрова на освещенной стороне Земли, используются две передающие камеры на видиконах с памятью, обеспечивающие работу системы в малокадровом режиме. Полный цикл работы передающей трубки 60 с: время экспонирования 0,025-0,04 с, время считывания информации 10 с и время подготовки (стирания остаточного потенциального рельефа) 50 с. Полоса частот видеотракта 15 кГц, рабочий диапазон экспозиции 0,6-8 лк • с.
Обе камеры снабжены объективами с фокусным расстоянием 16 мм и относительным отверстием 1: 3. Оптические оси камер наклонены друг к другу под углом 19°, что обеспечивает перекрытие системой в целом угла зрения 76°. Для расширения динамического диапазона передаваемых яр-
Рис. 10.17. Структурная схема телевизионной аппаратуры метеорологического спутника Земли
203
костей осуществляется регулирование диафрагмы каждого объектива. Эта операция производится по командам с Земли или от специального блока программного управления, связанного с датчиком положения Солнца. Блок управления предназначен также для сбора телеметрической информации о состоянии всех основных блоков телевизионной аппаратуры. Эта информация затем записывается на магнитофон и передается на Землю одновременно с видеосигналом.
Видеосигналы с выхода передающих камер поступают через коммутатор в линейный усилитель, где производится замешивание служебных сигналов, в том числе кодовых посылок о номере каждой пары изображений, гасящих и синхронизирующих импульсов. Поскольку передача на Землю информации производится только тогда, когда ИСЗ находится в зоне прямой радиовидимости, в состав аппаратуры включено устройство видеозаписи (видеомагнитофон), управляемое программным блоком. Для уменьшения времени сеанса связи считывание информации с магнитной ленты производится в четыре раза быстрее, чем запись. Считанный сигнал поступает для частотной коррекции в устройство формирования и затем в передатчик мощностью 15 Вт. Принятые на наземном пункте изображения фотографируются с экрана видеоконтрольного устройства. Разрешающая способность телевизионной аппаратуры позволяет различать участки на Земле размером 1,2 км.
ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
При передаче сигналов одиночных изображений с ЛА Получили распространение фототелевизионные системы, состоящие из фотосьемочной камеры, устройства автоматической обработки фотопленки и устройства сканирования изображения [7]. Остальные устройства, связанные с формировани
ем сигнала и его передачей на Землю, аналогичны входящим в малокадро-
Импумсы синхронизации
Рис. 10.18. Структурная схема анализирующего устройства фототелевизионной системы
вую систему. Достоинством фототелевизионной системы является высокая четкость получаемых изображений благодаря высокому качеству фотопленки.
После экспонирования и химической обработки фотопленки отдельные изображения с помощью протяжного механизма 3 (рис. 10.18) перемещаются в кадровое окно и одновременно сканируются способом «бегущего луча». При непрерывной протяжке пленки сканирование осуществляется одной строкой (однострочная развертка),
204
формируемой на экране малогабаритного проекционного кинескопа 1. Световое пятно через объектив 2 просвечивает фотопленку. Модулированный световой поток собирается конденсором 4 и попадает на фотокатод ФЭУ.
Разрешающая способность фототелевизионной системы будет определяться качеством фотопленки и размером анализирующего светового пятна. Ширина спектра видеосигнала зависит от скорости протяжки пленки и длительности строки, причем оба параметра должны быть согласованы между собой таким образом, чтобы не было наложений строк и пропусков меащу ними.
При съемке местности с ЛА изображение на фотопленке оказывается смазанным, что приводит к ухудшению качества передаваемого изображения. Улучшить качество изображения можно за счет сокращения времени экспонирования фотопленки, что одновременно повышает требование к освещенности объекта наблюдения. При расчетах учесть явление скоростного смазывания на качество передаваемого изображения и выбрать оптимальное время экспонирования можно на основе аналогии с электронно-пленочным накопителем (см. п. 10.4).
СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Спектрозональные системы служат для одновременного получения информации о распределении лучистого потока в двух или более зонах (областях) спектрального диапазона волн [29]. В этом плане обычная телевизионная система должна быть отнесена к разряду «однозональных» систем. Спектрозональные телевизионные системы (СЗТС) широко используются в космическом телевидении для решения как наблюдательных (обнаружение и опознавание различных объектов на земле и акватории Мирового океана), так и измерительных задач. Применение в СЗТС оптической спектральной фильтрации позволяет увеличивать контраст входных изображений селектируемых объектов.
Прямой энергетический контраст изображения каждого селектируемого объекта относительно окружающего фона на входе фотопреобразователя для одной зоны равен
^вх=(»ф-»Ло)/»ф.
где (Уф и Wo — энергии излучения на входе фотопреобразователя от фона и объекта соответственно в расчете на один элемент изображения.
Значения энергий в общем случае выражаются соотношениями:
со оо
0 0
где Фу тах — максимальная спектральная плотность потока излучения, Вт/мкм; Тк — длительность кадра; рфХ и ро?_ — спектральные коэффициенты отражения фона и объекта соответственно; — спектральный коэффициент пропускания атмосферы; — спектральный коэффициент пропускания объектива; — спектральная чувствительность зоны пропускания оптического фильтра.
205
Все спектральные характеристики, расположенные под интегралами, являются относительными, т. е. в максимуме приведенными к единице.
Таким образом, значения входных энергий от селектируемых участков изображения поверхности наблюдения, каждый из которых характеризуется своим контрастом, будут зависеть также от спектральной чувствительности зон пропускания. Выбор рабочих зон СЗТС наблюдения является важной и сложной задачей, направленной на максимизацию входных контрастов селектируемых объектов. При этом должны учитываться форма и ширина характеристик спектральной чувствительности каждой зоны и ее местоположение в спектральном диапазоне волн. Число зон соответствует числу селектируемых участков наблюдаемого изображения и обычно равняется числу фотопреобразователей в телевизионной системе. В этом случае обработка всех сигналов производится одновременно и результат получается в реальном времени. При малом быстродействии системы можно ограничиться одним фотопреобразователем со сменным набором фильтров. При этом одновременная обработка сигналов требует введения в систему специального устройства памяти.
СЗТС искусственного спутника Земли «Лэндсет-1» включает в себя три камеры, оптические оси которых расположены таким образом, чтобы один и тот же участок земной поверхности одновременно проецировался на мишени всех видиконов. Камеры работают в следующих спектральных зонах: 475-575 нм, 580-680 нм, 690-830 нм. При ширине наблюдаемого участка в 180 км разрешение на земной поверхности составляет 50—100 м.
10.4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И БЫСТР ОПР ОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ
Обычно телевизионная аппаратура предназначена для передачи изображений объектов, параметры которых, в том числе их положение в пространстве, изменяются во времени относительно медленно. Во всяком случае, скорость их изменения обычно бывает значительно ниже, чем скорость съема информации, определяемой как в кино, так и телевидении частотой смены кадров.
Расширение возможностей и сферы применения телевидения в промышленности, на транспорте, в научных исследованиях часто приводит к необходимости получать видеоинформацию от различного рода бы-стродвижущихся объектов и о быстропротекающих процессах. Примером может служить наблюдение с помощью телевизионных стробоскопов за судовыми и самолетными винтами, колесами турбин, различными вращающимися или вибрирующими частями машин и механизмов. Актуальной является задача автоматической регистрации номеров транспортных средств (автомашин, железнодорожных вагонов и др.) в процессе их движения. В научных исследованиях применяется телевизионная регистрация следов ядерных частиц и процессов, происходящих в плазме. Созданы установки, позволяющие не только наблюдать быстропротекающие процессы в искровых камерах, но также измерять координаты отдельных частиц [42].
206
Существуют предложения использовать телевизионно-вычислительную технику для экологических целей, в частности для дистанционного измерения площадей нефтяных загрязнений водной поверхности. Телевизионная аппаратура в этом случае устанавливается на низколетящем самолете или вертолете, что позволяет значительно ускорить и упростить процесс картирования загрязненных площадей по сравнению с существующим методом оптической локации (оптическая локация производится с борта специального судна, движущегося с относительно небольшой скоростью).
Регистрация различных быстропротекающих процессов традиционно связывается со скоростной фото- и киносъемкой, а при исследовании однократных неповторяющихся процессов также с электронно-оптическим методом наблюдения. Скоростная и сверхскоростная киносъемка позволяет производить съем информации с частотой, измеряемой сотнями тысяч и миллионами кадров в секунду. Однако объем информации при этом не превышает нескольких сотен кадров, а увеличение объема информации связано, как правило, с уменьшением частоты ее съема.
Вместе с тем для решения многих практических и научно-исследовательских задач требуется длительное непрерывное наблюдение за быст-родвижущимися объектами, находящимися к тому же в труднодоступных местах. Это обстоятельство предопределяет применение телевизионного метода наблюдения, отличающегося от скоростной киносъемки значительно более низкой частотой съема информации, но позволяющего производить регистрацию процесса длительное время, осуществлять ее обработку и немедленно доставлять результат получателю.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ
И ВЫБОР ВРЕМЕНИ ЭКСПОНИРОВАНИЯ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
При наблюдении за быстродвижущимися объектами смещение входного оптического изображения (скоростное смазывание) во время его передачи приводит вследствие накопительных свойств фотопреобразователя к ухудшению качества воспроизводимого системой изображения. Уменьшить скоростное смазывание можно либо с помощью различного рода компенсаторов смещения (оптических, механических или электронных), либо сокращением времени экспонирования фотопреобразователя при сохранении неизменной длительности кадра. Второй способ является более универсальным, так как не связан 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 смазыванием, получили название импульсных телевизионных систем.
Уменьшение времени экспонирования по сравнению с длительностью кадра в телевизионных устройствах приводит к необходимости считывать потенциальный рельеф, образующийся на мишени фотопреобразователя, в режиме памяти. При этом вначале осуществляется экспонирование мишени, которая должна «запомнить» изображение, а затем — считывание потенциального рельефа со скоростью, принятой в стандартных или малокадровых системах.
207
Рис. 10.19. Пространственно-частотная характеристика системы регистрации бысгропроте-кающих процессов и быстродвижущихся объектов: Э© — кривая 3 и ее составляющие: Э5© — кривая 1 и Эн© — кривая 2
Одной из важнейших операций при проектировании импульсных телевизионных систем является расчет времени экспонирования фотопреобразователя При этом следует учитывать: 1) допустимое относительное ухудшение разрешающей способности системы и резкости границ крупных деталей воспроизводимого изображения, вызванное явлением скоростного смазывания; 2) возможное снижение отношения сигнал/шум вследствие уменьшения времени накопления потенциального рельефа. Последнее обстоятельство существенно, если освещенность объекта невозможно увеличить при соответствующем уменьшении вре
мени накопления, что приводит к сокращению экспозиции.
Влияние скоростного смазывания на частотные свойства телевизионной системы и, следовательно, ее разрешающую способность и резкость передаваемого изображения учитываются путем введения в математическую модель системы дополнительного линейного звена, адекватного зоне
смещения, переходная и комплексная частотная характеристики которого однозначно определяются характеристикой накопления фотопреобразователя. Таким образом, пространственно-частотную характеристику системы для регистрации быстропротекающих процессов можно представить в виде (рис. 10.19)
S(§) = S„(§)S5(§),
где 9Н(£) — ПЧХ системы при передаче ею изображений неподвижных объектов; й5© — ПЧХ зоны смещения.
Относительное ухудшение разрешающей способности будет равно С/^ (рис. 10.19).
Комплексная частотная характеристика зоны смещения:
дй(Л) = (Ю.8)
о ах
где Зс — величина зоны смещения; Л8(х) — переходная характеристика зоны смещения, представляющая собой относительное распределение потенциалов на накопителе фотопреобразователя внутри зоны смещения в направлении перемещения предельно резкой черно-белой границы х
Величина зоны смещения при линейном движении объекта выражается формулой
8^ = v.Zt / h. , с ф аэ' ф9
(10.9)
208
где Уф — скорость линейного перемещения оптического изображения в плоскости фотопреобразователя; Za — число активных строк разложения; Лф — высота кадра на фотопреобразователе.
Отметим, что величина 8С в формуле (10.9) выражается в элементах разложения.
Форма переходной характеристики зоны смещения h&(x) повторяет форму характеристики накопления фотопреобразователя, зависящую от способа экспонирования, материала мишени и других факторов. В случае, если переходная характеристика может быть аппроксимирована экспоненциальной функцией, что справедливо для малоинерционных фотопреобразователей, а также фотографических слоев при их экспонировании с помощью затвора с прямоугольной световременной характеристикой, имеем
/г8(х) = 1-е~*«£х, (10.10)
где к0 — коэффициент, зависящий от параметров накопителя; х= Е— освещенность фотопреобразователя, Е= const.
При других способах экспонирования, когда объект освещается с помощью импульсных ламп и лазеров (Е* const), и при заметной фотоэлектрической инерционности мишени видикона переходная характеристика Л8(х) оказывается существенно отличной от экспоненциальной функции [18].
Подставив формулу (10.10) в выражение (10.8), найдем комплексную частотную характеристику, модуль которой представляет собой ПЧХ зоны смещения:
Ч tn-v 1 + е-ад-2e-^cos2x80^ с? я (С) — 2 v н I о
V l + UxS^/^otfJ]2
(10.11)
где NH — нормирующий множитель, отвечающий условию, в соответствии с которым характеристика Sg(£) при £ = 0 должна принимать значение, равное единице; экспозиция НК = Et3.
Таким образом, функция Sg(£) будет зависеть через зону смещения 8С от скорости Уф.
Анализ выражения (10.11) показывает, что ПЧХ зоны смещения содержит колебательную компоненту, частота которой зависит от значения 8С, а амплитуда — от экспозиции Як [18]. При малых значениях Як, когда выполняется условие 1, процесс накопления в фотопреобразователе и переходная характеристика Л8© оказываются близкими к линейным и тогда формула (10.11) преобразуется к виду
, ТТ Sin
98(0=^o^k------тт—, (10.12)
причем в этом случае ПЧХ зоны смещения приобретает чисто колебательный характер. Подставив выражение (10.9) в (10.11) или (10.12), получим зависимость Sg(£), а следовательно, и отношения от времени экспонирования t3.
Оценим относительное ухудшение резкости границ крупных деталей изображения за счет явления скоростного смазывания. При монотонном
209
изменении переходных характеристик отдельных звеньев системы резкость границ воспроизводимого ею изображения определяется выражением
Дхп =7Ахн + Ах8 ,
где Дхн — зона размытости переходной характеристики системы в направлении, перепендикулярном к черно-белой границе неподвижного изображения; Ахп — то же, но при движении изображения; Дх5 = зона
размытости переходной характеристики Л5(х).
Отсюда относительное ухудшение резкости будет равно
А*н _ 1
Ах А . / А /А \2~ (10.13)
п ^1 + (Дх5/Дхн)
В случае, если переходная характеристика зоны смещения й5(х) выражается ф ормулой (10.10), имеем
8С 1-0,1(1-е~*°Як)
<10Л4>
При линейном накоплении зарядов в фотопреобразователе переходная характеристика hs(x) также линейна, итогдавсоответствиисформулой(10.9)
Ах5=0,88с=0,8пфгаГэ/Лф. (10.15)
Нетрудно показать, что выражение (10.15) является частным случаем выражения (10.14) при малых значениях освещенности Е.
Из выражений (10.13) и (10.15) получим формулу для определения времени экспонирования
_ ЛфАх„ /_1
9 o,8za^^2o ’ (10л6)
где Xq = Ахн/А^ — допустимое относительное ухудшение резкости движущегося изображения по сравнению с неподвижным.
Таким образом, если задаться допустимым значением ухудшения разрешающей способности SpAo и допустимым значением снижения резкости Хо, можно найти два значения времени экспонирования t9, из которых, очевидно, следует выбрать меньшее значение.
При ограниченных энергетических возможностях системы, т. е. когда освещенность объекта нельзя увеличить с целью стабилизации отношения сигнал/шум \|/, оптимальное значение времени экспонирования можно выбрать при помощи интегрального критерия качества изображения. При этом используются две сенсорные характеристики зрительного анализатора, отражающие зашумленность и резкость воспроизводимого изображения [18].
Интегральный критерий качества изображения имеет вид функционала
е = Пе,,
1=1
210
где Q — нормированная сенсорная характеристика зрительного анализатора для Z-го показателя качества.
В рассматриваемом случае
Q = QVQK,
(10.17)
причем и йк- сенсорные характеристики, отражающие зашумленность и резкость воспроизводимого изображения соответственно.
Обе характеристики аппроксимируются следующими соотношениями [2]:
= (0,22In у)1’5; (10.18)
„ 0,005(0,13 + к)(190 —к)
Qk =------(10.19)
1 т К.
где к - коэффициент резкости, численно равный площади , ограниченной ПЧХ системы в пределах пропускаемой ею полосы частот; 1 < у < 100.
Отметим, что формула (10.19), строго говоря, справедлива для ПЧХ, имеющих монотонный вид и аппроксимируемых степенной зависимостью. В этом случае
к — (^ До)/(1 5^),
(10.20)
где под До подразумевается уровень пересечения ПЧХ с вертикальной прямой, соответствующей граничной частоте с полосы пропускания видеотракта (рис. 10.20). Если т = Za, то с = 0,5'.
Значение площади с учетом смещения изображения объекта и при условии с имеет вид интеграла:
1 ^(r9)^HpH(J;')Ss(m'-о
Таким образом, при заданной ПЧХ системы в случае неподвижного изображения йи(|') можно, используя формулы (10.11) и (10.12), найти методом численного интегрирования площадь для различных значений зоны смещения 8си, следовательно, времени t . После этого по формулам эд) f
(10.20) и (10.19) можно рассчитать и построить сенсорную характеристику (^(^.Характеристика Q.JQ находится по светосигнальной характеристике фотопреобразователя и рассчитанному предварительно уровню шумов.
Пример. Необходимо оптимизировать время экспонирования матрицы ПЗС с размером секции накопления х = 6,9 х 9,2 мм и числом элементов 576 х 512. Точка перегиба светосигнальной
Рис. 10.20. К расчету площади X,
211
характеристики матрицы: Нтга1 = 0,04 лк • с; Uc max - 0,1 В. Скорость движения изображения объекта, приведенная ко входу матрицы, = 1 м/с. Освещенность матрицы Е= 1000 лк.
Нормированнуюхарактеристику Sg(m) построим согласно следующему выражению, вытекающему из формулы (10.12) с учетом равенства ? = «/2Za:
38(/и) =
5ш(лУфГэт/2йф) тсиф/эт/2йф
В качестве характеристики9н(/я) возьмем продольную ПЧХдляаэ=р с учетом тэ = 512 • 6,9/9,2 = 384 элемента (см. п. 3.6). Определенную трудность вызывает выбор значения коэффициента Ь, учитывающего взаимное
Рис. 10.21. Зависимости величины (/), QK (2) и Q (5) от времени экспонирования матрицы ПЗС
расположение элементов матрицы и полос оптической миры и лежащего в пределах от 1 до 2. При неподвижной мире значение b постоянно, а при ее движении в продольном направлении оно будет изменяться, что отразится на положении характеристики Эн(да). Для определенности решения задачи примем, что коэффициент b изменяется в пределах от единицы до двух при изменении времени экспонирования от 10 до 22 мкс.
Для нахождения площадей Sm(t3) и уровней До примем граничную поло-
су частот видеотракта, соответствующую т = 500 твл. Сенсорная характе-
ристика 2к(гэ) , построенная в соответствии с формулами (10.20) и (10.19), приведена на рис. 10.21.
При нахождении функции примем во внимание линейность све-
тосигнальной характеристики матрицы ПЗС и выполнимость на рабочем участке условия взаимозаместимости между освещенностью Е и временем экспонирования tg. Тогда связь между и ta устанавливается из соотношения \|/= Uc/Ummsx, где Uc= Ucm^Et3/Hmm. Величину шумов ПЗС примем равной (7штах= 1,6 мВ.
На рис. 10.21 представлены обе сенсорные характеристики (Ди 0^(2), а также функционал Q (3), определенный в соответствии с формулой (10.17). Из графика Q (Q следует, что рекомендуемое время экспонирования для рассмотренного случая составляет от 16 до 20 мкс.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СКОРОСТНОГО СМАЗЫВАНИЯ ФОТОЭМУЛЬСИОННЫХ СЛОЕВ
Переходную и пространственно-частотную характеристики зоны смещения, возникающей на фотослое при движении объекта за счет скоростного смазывания, можно определить на основе принципа аналогии между малоинерционным электронным накопителем и эмульсионным слоем, так
212
же представляющим собой накопитель энергии. В основе аналогии лежит идентичность формы графика зависимости накопленного потенциала VH от экспозиции Н для электронного накопителя V* = f (Н) и характеристической кривой фотографического материала, построенной в линейных координатах I)=/(11), где D — оптическая плотность почернения фотоматериала [19]. В этом случае связь между оптической плотностью и экспозицией будет выражена соотношением
D = D^H +
(10.21)
где Бо и Бтах — плотность вуали и максимальная плотность почернения; у0 — коэффициент, зависящий от параметров и светочувствительности фотослоя по отношению к источнику излучения с заданным спектральным составом, у0=1 /Н/П' —
экспозиция, соответствующая плотности почернения фотослоя, равная 0,66 от максимального значения). Значение Н' определяется по характеристической кривой материала с учетом поправки на спектральную чувствительность фотослоя по отношению к рабо-
Рис. 10.22. Характристика пленки КН-3 (сплошная линия) и их аппроксимация (штриховая линия):
I — время проявления 16 мин (у0 = 23); 2 — время проявления 4 мин (у0 = 10); 3 — время проявления 2 мин (у0 = 7)
чему источнику света.
В качестве примера на рис. 10.22 сопоставлены характеристики негативной пленки
КН-3 и аппроксимирующие графики, отвечающие уравнению (10.21) при JD0 = 0 (кривые 1—3). Из рисунка видно, что расчетные и экспериментальные кривые почти совпадают.
По аналогии с электронным накопителем можно ввести применительно к фотослою понятие характеристики накопления (почернения), под которой подразумевается зависимость оптической плотности D от времени Z:
D(/) = Dmax[l-(l-D0/Dmax)e-^)], (10.22)
где функция экспозиции H(t) = ^E(f)dt определяется световременной характеристикой устройства экспонирования фотослоя E(t) (электронного затвора, механического затвора, импульсной лампы и пр.). В частности для импульсной лампы и импульсного лазера функгщи освещенности имеют вид: £(() = ад(е-₽‘'-е-^);
Ет 2л
£(0 = -y(1-c°s—О,
213
Ss(to) = Na
где кх, pj, р2 — коэффициенты аппроксимации; Ет — освещенность в максимуме излучения; 1Э — полное время экспонирования (для импульсных ламп равно времени, в течение которого функция Е (/) падает до уровня 0,05 Ет).
Переходную характеристику зоны смещения границы изображения в направлении ее линейного перемещения х определим из выражения (10.22) с учетом того, чтох = 8с///э,где8с — зона смещения. Тогда
/16(х) = 1-е-1'»ад, (10.23)
где функция Н(х) зависит от устройства экспонирования фотопленки.
ПЧХ зоны смещения, отвечающая формуле (10.23) и случаю прямоугольной световременной характеристики устройства экспонирования, т. е. условию Я(х) - Ех, имеет вид
1 + е~^о£(» cosm8c
l + tWtYo^)]2
где jV0 — нормирующий множитель.
В случае, если функция J7(x) имеет более сложный вид, для расчета ПЧХ приходится применять численный метод интегрирования.
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ
ИМПУЛЬСНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ
Импульсные телевизионные системы осуществляют преобразование изображений быстродвижущихся объектов в последовательность неподвижных изображений, фиксирующих отдельные фазы движения, предъявляемых затем на достаточно длительное время наблюдателю или вводимых в ЭВМ. В автоматических системах это время должно быть согласовано с быстродействием машины.
На рис. 10.23 приведена обобщенная структурная схема импульсной телевизионной системы, предназначенной для визуального наблюдения за быстродвижущимися объектами и быстропротекающими процессами. Одним из основных элементов этой схемы является устройство экспонирования фотопреобразователя. В качестве устройств экспонирования можно использовать различные электронные, электрооптические и механические затворы. Последние не позволяют получать малые времена экспонирования, не допускают внешней синхронизации при широком изменении его частот и обладают рядом других эксплуатационных недостатков. Более удобны электрооптические затворы, в качестве которых используются электронно-оптические преобразователи, сочленяемые с передающей трубкой или ПЗС, жидкокристаллические ячейки.
Супервидиконы позволяют использовать в качестве электронного затвора секцию фотокатод—мишень. При этом на фотокатод трубки или на специальный электрод, расположенный между фотокатодом и мишенью, подаются прямоугольные импульсы напряжения, регулирующие прозы
импульсного синхроимпульсы синхроимпульсы освещения объекта
Рис. 10.23. Структурная схема импульсной телевизионной системы, предназначенной для наблюдения за быстродействующими объектами
цесс отпирания и запирания фототока и, следовательно, время накопления зарядов на мишени. Режим электронного затвора можно применить также в матрицах ПЗС, для чего импульс напряжения, подаваемый в секцию накопления, следует уменьшить по времени по сравнению с длительностью полукадра. Подобный режим рассмотрен в п. 10.1 с позиций регулирования световой чувствительности передающей камеры. Однако применение режима электронного затвора в матрицах ПЗС ограничено тем, что частота следования экспонирующих импульсов должна всегда соответствовать частоте полукадров, а срез импульсов 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 также с помощью импульсных источников света — импульсных ламп и лазеров, освещающих объект, что целесообразно и с энергетической точки зрения для активных систем. Здесь следует отметить, что современные передающие трубки способны работать с предельно короткими световыми импульсами, излучаемыми лазерами. Однако при этом существенное влияние приобретают посторонние источники света, воздействующие на объект в паузах между рабочими экспонированиями (например, дневное освещение). Если в системе используется высокочувствительная передающая трубка, то даже незначительные посторонние засветки могут существенно ухудшить качество изображения. В этом случае приходится применять затворное устройство как средство устранения посторонних засветок. Недостатком импульсных источников света является трудность, а порой и невозможность изменения времени экспонирования при изменении скорости перемещения объекта.
215
Импульсная засветка матрицы ПЗС, осуществляемая во время обратного хода кадровой развертки, позволяет упростить конструкцию матрицы, отказавшись от секции памяти. При этом накопление зарядов в потенциальных ямах производится во время обратного хода кадровой развертки, а вывод зарядов в выходной регистр — 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 поперечной разрешающей способности телевизионного датчика.
Для визуализации наблюдаемого процесса необходимо предъявлять изображение каждой его фазы наблюдателю в течение достаточно длительного времени. Длительность воспроизведения изображения должна быть такой, чтобы наблюдатель мог осмыслить полученную информацию и принять соответствующее решение. Эта задача выполняется с помощью специального устройства регулируемой памяти. Назначение устройства памяти заключается в хранении считанной с накопителя информации и многократном генерировании видеосигнала с частотой, равной стандартной частоте кадров. Длительность хранения информации зависит от частоты экспонирования передающей трубки или ПЗС, назначения системы и ряда других факторов. В качестве устройств памяти можно использовать видеомагнитофоны (особенно если они позволяют воспроизводить изображения с замедленной скоростью вплоть до осуществления режима стоп-кадра), а также специальные запоминающие электронно-лучевые трубки (например, трубку с окисно-кремниевой мишенью — литокон). Однако наиболее перспективными являются цифровые устройства памяти.
В составе телевизионной системы рассматриваемого назначения должно быть предусмотрено специальное устройство, осуществляющее выбор фазы быстропротекающего процесса, предназначенной для очередной записи. Таким устройством является датчик положения объекта в пространстве, основанный на фотоэлектрическом, магнитном или механическом, т. е. контактном, принципе действия. Датчик генерирует импульсы напряжения в определенные моменты времени. Эти импульсы запускают устройство экспонирования фотопреобразователя и через командный блок управляют устройством памяти. При необходимости изменять частоту управляющих импульсов в широких пределах, что диктуется обычно соответствующим изменением скорости перемещения объекта, наиболее удобно использовать фотоэлектрический датчик, оптически связанный с самим объектом. Управляющие импульсы легко могут быть задержаны на необходимое время, что позволяет плавно регулировать фиксируемое положение объекта относительно некоторого опорного момента времени.
Наконец, в схеме предусматривается устройство управления коммутирующим лучом передающей трубки, необходимое в тех случаях, когда частота управляющих импульсов, поступающих с датчика положения объекта, асинхронна по отношению к частоте кадров. В этой ситуации специфика работы по памяти трубок с накоплением энергии требует, чтобы экспонирование и считывание зарядов с мишени осуществлялись в различных (как правило, в соседних) кадрах, что и обеспечивает указанное устройство [18].
216
ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НОМЕРНЫХ ЗНАКОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Во многих странах получил распространение телевизионный метод считывания номерных знаков движущегося автомобильного и железнодорожного транспорта. При этом наряду с чисто визуальными системами, в которых получение информации и принятие по ней решения целиком осуществляется оператором, применяются и телевизионно-вычислительные системы, выполняющие функции телевизионных автоматов и полуавтоматов. Эти системы, снабженные вычислительными устройствами, решают задачи обнаружения номерного знака, его опознавания, а в необходимых случаях и классификации. Функции оператора сводятся тогда только к ф иксации конечного результата и к наблюдению за общей обстановкой.
Телевизионная аппаратура позволяет осуществить регистрацию номеров железнодорожных вагонов, платформ, цистерн и локомотивов при формировании и следовании поездов, а также автомашин, превышающих установленную скорость движения или въезжающих под запретительный знак Решается задача выявления автомашин, числящихся в угоне, контроля автомашин, выезжающих из гаража, и т. д.
Примером отечественной разработки является система для контроля превышения скорости движения дорожного транспорта [3]. Система построена на двух передающих камерах (рис. 10.24, а, б). Передающая камера ПК1 размещается на определенной высоте над контролируемым участком дороги с таким расчетом, чтобы движение транспорта осуществлялось поперек направления строчной развертки. Видеосигнал с этой камеры поступает в блок выделения объекта БВО и на видеоконтрольное устройство ВКУ1, предназначенное для общего наблюдения за транспортным потоком. В БВО с помощью двух стробирующих элементов производится выделение видеосигналов со строк, соответствующих изображению начала и конца контролируемого участка дороги длиной I. При пересечении транспортным средством указанного участка генерируются два импульсных сигнала, которые поступают в блок контроля нарушений БКН. В этом блоке производится вычисление фактической скорости движения согласно алгоритма v - l/&t — интервал времени между обоими сигналами) и производится ее сравнение с разрешенной скоростью, устанавливаемой в виде цифрового кода оператором. В случае превышения скорости на выходе БКН появляется сигнал нарушения, поступающий в формирователь управляющих импульсов ФУИ. Это устройство формирует задержанные на необходимое время импульсы, предназначенные для спуска фотозатвора, расположенного в передающей камере ПК2 (длительность затворного импульса 5 мс), запуска видеомагнитофона ВМи разрешения записи информативного кадра цифрового видеосигнала, поступающего из аналоге-цифрового преобразователя АЦП в буферный блок памяти ББИ В этот блок поступает также дополнительная цифровая информация о месте установки аппаратуры, разрешенной скорости, времени нарушения и его порядковом номере. Указанная информация записывается в течение первых 40 строк кадра. Преобразованный в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя ДЛЯ видеосигнал поступает на видеомапнитофон и видеоконтрольное устройство ВКУ2. Поле зрения камеры ПК2 устанавлива-
a)
Дополнительная информация
Рис. 10.24. Структурная схема телевизионного измерителя скорости (fl) и схема расположения передающих камер (б)
ется таким образом, чтобы в нем фиксировался задний номер транспортного средства нарушителя.
К недостаткам рассмотренной системы относятся малые размеры контролируемого участка движения, что диктуется, с одной стороны, необходимостью в получении крупномасштабного изображения номера в целях его уверенного распознавания, а с другой стороны — страховкой от попадания в поле зрения камеры ПК2 одновременно двух или более транспортных средств, среди которых нарушителем может быть только одно. Таким образом, при многорядовом движении необходимо соответственно наращивать аппаратуру, что приводит к ее существенному удорожанию в изготовлении и эксплуатации.
На рис. 10.25 приведена структурная схема системы, 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,
218
Визирная линия
Рис. 10.25. Структурная схема системы со сканированием поля зрения передающей камеры
особенно при сложной фоновой обстановке [20]. Это позволяет также применять более дешевые фотопреобразователи, не обладающие высокой разрешающей способностью. В системе предусмотрена возможность записи сигнала на видеомагнитофон. При необходимости использования ЭВМ (например, при опознавании автомашин, числящихся в угоне) связь с ней осуществляется от видеоусилителя ВУ через аналого-цифровой преобразователь АЦП.
Система состоит из следующих основных частей: передающей камеры, выполненной на основе сочлененного фотопреобразователя, включающего в себя электронно-оптический преобразователь ЭОП и матрицу ПЗС-М, и снабженной длиннофокусным объективом Ц; селектора-обнаружителя номерного знака, выполненного на линейке ПЗС-Лм. включающего в себя блок обработки сигнала УО\ оптико-механического сканирующего модуля с «прыгающим» зеркалом 3; блока управления БУ. Селектор-обнаружитель формирует с помощью объектива О2 визирную линию, которая проецируется на все полотно движения объектов в поперечном направлении. При пересечении визирной линии объектов на выходе линейки образуется сигнал, который после обработки, зависящей от заданного
219
Рис. 10.26. Структурная схема блока управления БУ (а) и эпюры напряжений (6)
признака объекта (например, его ширины), формирует координатный импульс, который через блок управления воздействует на поворотное устройство сканирующего модуля ПМ, скачком разворачивающее зеркало, а вместе с ним и узкое поле зрения передающей камеры (на рис. 10.25 заштриховано) в направлении расположения объекта. После этого открывается затворная секция ЭОПи происходит однократное экспонирование матрицы ПЗС-М. Передающая камера дополнительно снабжена устройством (на рисунке не показано), позволяющим автоматически изменять коэффициент преобразования Э ОПв зависимости от освещенности объекта путем изменения напряжения на микроканальной пластине.
Блок управления 2>У(рис. 10.26, а) осуществляет следующие операции: синхронизирует обычным путем работу блока разверток БРМ (кадровой и строчной) матрицы ПЗС-Mvt работу АЦП, с помощью импульсов напряжения Ux осуществляет сканирование линейки ПЗС-Л; вырабатывает напряжение , пропорциональное углу поворота зеркала <р, и управляющее поворотным механизмом; формирует импульс напряжения U3, открывающий затворную секцию ЭОП на время /э. Блок управления работает следующим образом. Первый из последовательности импульсов Uo&, поступающий из блока обработки сигнала УО и сигнализирующий о появлении объекта, запускает устройство калиброванной задержки КЗ и одновременно преобразователь ПР через открытый ключ К. Преобразователь ПРслу-жит для преобразования интервала времени Дг (рис. 10.26, б) в напряжение
, которое может быть представлено как в аналоговой, так и в цифровой форме, в зависимости от принципа построения устройства управления поворотом зеркала. Формируемый на выходе блока КЗ импульс «запрета» U3 закрывает ключ, в результате чего последующие импульсы не пройдут на преобразователь. Обратное срабатывание блока КЗ производится одним из кадровых синхронизирующих импульсов Ц,. При этом общее время задержки Т} + Т2 = Т\ + пТк, где Тк — период кадровых импульсов (на рис. 10.26, б принято n = 1). Продифференцированный цепочкой ДЦ
220
срез импульса «запрета» 17д запускает формирователь импульсов затвора ФИЗ, открывающий затвор ЭОПна время (э. Импульсы 17л, следующие из синхрогенератора СГс частотой сканирования линейки ПЗС-JIi/T^, ограничивают интервал времени Дг и одновременно подаются на ее генератор развертки (сдвиговый регистр). Длительность импульсов «запрета» выбирается достаточной для поворота зеркала на максимальный угол.
Особенностью устройства управления является то, что при любых ситуациях движения объекта обеспечивается срабатывание затвора в самом начале прямого хода кадровой развертки. Это позволяет предотвратить возможность экспонирования матрицы во время обратного хода кадровой развертки, что может привести к резкому ухудшению качества воспроизводимого изображения.
Поле зрения объектива Ц следует выбирать исходя из размеров номерного знака и возможной нестабильности угла поворота <р. Оперативность работы системы будет определяться инерционностью сканирующего механизма и соответствующей длительностью импульса «запрета».
Назначение блока обработки сигнала УО заключается в селекции поступающего от линейки ПЗС-Лсигнала по заданному признаку, связанному с характерным признаком подлежащего опознаванию объекта. Если, например, опознаванию подлежат номера автомашин с априори известным минимальным числом букв и цифр, то признаком селектируемого сигнала является последовательность узких импульсов, располагающихся на ограниченном временном интервале, длительность которого зависит от скорости сканирования линейки и масштаба изображения. В этом случае устройство обработки можно построить на основе счетчика импульсов. При этом, если число подсчитанных за известный интервал времени импульсов превысит заданное число, то на выходе блока появится запускающий импульс. При опознавании номеров вагонов признаком селекции может служить ширина импульса, пропорциональная высоте номеров (визирная линия располагается поперек вагона).
Выбор объема буферной памяти и типа ЭВМ, а также видеомагнитофона ВМзависит от поставленной перед системой конкретной задачи и условий эксплуатации. Так, для ТВ-аппаратуры, предназначенной для работы на железнодорожных станциях, рекомендуется использовать бытовой кассетный магнитофон типа ВМ-12 или полупрофессиональный — типа ВМ403-ЛОМО [17]. Последний имеет пульт дистанционного управления, «автостоп», датчик отрыва ленты и другие приспособления. Включение видеомагнитофона должно производится по команде селектора-обнаружителя.
ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ДАТЧИК
ДЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ВИБРИРУЮЩИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Существует ряд прикладных задач, решение которых связано с необходимостью передавать и воспроизводить вибрирующие изображения. При этом вибрациям может подвергаться как объект наблюдения, так и телевизионный датчик. Примером может служить визуальный контроль за поведением прибора при его испытании на вибростенде, съемка местности
221
Рис. 10.27. Сигнал управления экспонированием фотопреобразователя в системе передачи вибрирующих изображений
с борта вертолета, сопровождающаяся дрожанием камеры и др. Ниже рассматривается вариант построения импульсного телевизионного датчика, предназначенного для передачи вибрирующих изображений, в котором наряду с уменьшением явления скоростного смазывания осуществляется стабилизация видеосигнала и, следовательно, воспроизводимого изображения.
Принцип действия телевизионного датчика основан на использовании сигнала с вибродатчика (например, датчика ускорений), который устанавливается на объекте или носителе. При этом параметры виб
раций — частота Fv = 1/Тв и амплитуда Lm - могут изменяться в широких пределах (рис. 10.27). Сигнал с выхода вибродатчика поступает на пороговое
устройство, с помощью которого формируются импульсы, открывающие электрооптический затвор на время ta т, равное [18]
где ий и Um — напряжения, показанные на рис. 10.28, б.
Суммарное время экспонирования фотопреобразователя, отнесенное к одному периоду кадровой развертки Тк, равно /э с = А/7Э т +А/, где N= (Тк/Тв) > 1 — целое число, получаемое путем округления до нижнего предела; А/—дополнительный отрезок времени, появляющийся вследствие несинхронное™частотFBnFK = 1/Тк. ПриN» 1
ta с ~
1 1 1 ио
1---arccos 1-----—
л I U„,
и не зависит от частоты вибраций.
Зона смещения границ изображения равна
5 = fl--
I 2UJ
На рис. 10.28, а представлена структурная схема телевизионного датчика, в которой предусмотрена оптимизация времени экспонирования по двум переменным — освещенности объекта и амплитуде вибраций. Предполагается, что скорости изменения обеих величин намного ниже частоты смены кадров. Импульсы экспонирования формируются с помощью порогового устройства ПУ и триггера Т из синусоидального напряжения, снимаемого с вибродатчика ВД, чем обеспечиваются жесткая синхронность и синфаз-ность процесса экспонирования с частотой вибрагщй. Уровень срабатывания порогового устройства ИДИт (рис. 10.28, б) и, следовательно, общее время экспонирования фотопреобразователя за время кадра Тк задается специальным регулятором уровня РУ
222
Рис. 10.28. Структурная схема телевизионного датчика с оптимальным временем экспонирования (а) и эпюры напряжений (б)
Выходное напряжение регулятора уровня Uo определяется сигналом, поступающим на один из его входов из решающего блока, который является оконечным звеном в устройстве оптимизации времени ta. Это устройство включает в себя два дискретизатора сигналов Д1 и Д2, два селектора максимального уровня СМУ1 и СМУ2, формирователь сигнала освещенности ФСО, коммутатор Км решающий блок.
Дискретизатор Д1 состоит из ряда порогово- запоминающих ячеек (например, триггеров), число которых п равно числу уровней квантования сигнала. При достижении сигналом, поступающим с вибродатчика, определенного уровня ячейка перебрасывается и остается в таком состоянии до тех пор, пока амплитуда сигнала не станет меньше данного порогового уровня. Выходы всех ячеек соединены с селектором максимального уровня СМУ1. Назначение этого устройства заключается в том, чтобы по приходе
223
кадрового синхроимпульса пропустить на соответствующий выход напряжение, отвечающее только верхнему уровню, т. е. практически амплитуде сигнала с вибродатчика. Упомянутое напряжение, которое остается постоянным в течение всего следующего кадра, отпирает по входу с тем же номером коммутатор К, п выходов которого соединены с устройствами управления решающего блока У1 — УЗ. При этом коммутатор пропускает на соответствующее устройство управления напряжение сигнала, которое пропорционально максимальной освещенности фотопреобразователя. Указанный сигнал поступает из формирователя сигнала освещенности ФСО, который соединен со вторым селектором СМУ2 и дискретизатором Д2. Последние, работая по рассмотренной выше схеме, служат для квантования видеосигнала, генерируемого передающей трубкой с затвором ПТЗ, и нахождения его максимального порогового уровня. Напряжение на выходе формирователя зависит от номера его входа, на который в данный момент поступает сигнал с селектора максимального уровня.
В устройствах управления решающего блока хранятся предварительно рассчитанные зависимости сэ =f(E) при различных амплитудах вибраций Lm, причем, как это следует из предыдущего, за каждым устройством закреплено определенное значение амплитуды вибраций Lm.
Рассмотренное устройство позволяет уменьшить скоростное смазывание изображения с одновременной его стабилизацией при частотах вибраций не ниже частоты кадровой развертки. При более низких частотах эффективность устройства снижается, так как экспонирование фотопреобразователя будет происходить не в каждом кадре, а только в том из них, где напряжение Ux превысит пороговый уровень UQ. С уменьшением частоты вибраций число таких кадров начнет уменьшаться, воспроизводимое изображение станет заметно мелькать и с прекращением вибраций исчезнет. При низких частотах вибраций следует применять другие способы стабилизации изображения. Один из них основан на определении вектора межкадрового смещения телевизионного изображения и затем формировании на приемной стороне стабильного неподвижного кадра [8].
Глава 11. РАСЧЕТ РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
11.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При разработке технического задания на проектирование телевизионной аппаратуры прикладного назначения и обоснования технического предложения, являющегося начальным этапом проектирования, необходимо рассмотреть реальность выполнения заданных технических условий или ограничить пределы их выполнимости, а также представить исходные данные для эскизного проектирования. В этих целях расчетным путем, более быстрым и дешевым, чем постановка эксперимента, определяется режим функционирования системы. Применительно к телевизионным системам обзорного типа это означает, что необходимо рассчитать условия обнаружения и опознавания заданного объекта или группы объектов с учетом их размеров, контраста, возможного освещения и пр. Это положение одинаково применимо как к системам визуального наблюдения, таки к автоматическим системам. Различие заключается в том, что в первом случае получателем информации является глаз оператора, а во втором — цифровой вычислитель, связанный с телевизионным 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 регистрацией не только крупных, но и мелких характерных деталей, размеры которых предполагаются априорно известными.
Расчет режима функционирования визуальной системы можно вести, либо исходя из заданных или выбранных условий наблюдения обстановки на экране кинескопа, которые в совокупности определяют близкий к реальному пороговый контраст зрительного анализатора А^1ор, 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 энергетическую и контрастную чувствительности телевизионной системы, т. е. величины, обратные минимальному входному контрасту и минимальной освещенности фотопреобразователя Е^ от наиболее светлых участков наблюдаемого пространства, при которых обзорная система обеспечивает обнаружение и опознавание объектов с заданной степенью вероятности. Затем на их основе проводится энергетический расчет, который позволяет предъявить требования к необходимому и достаточному контрасту самого объекта К и его освещенности Е. Для активных систем определяется дополнительно необходимая сила света осветителя I и его тип (рис. 11.1).
Во втором случае расчет ведется по схеме «от объекта к наблюдателю» 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.
225
Рис. 11.1. К расчету режима функционирования телевизионной системы
Режим функционирования автоматической телевизионной системы выполняет ту же функцию и рассчитывается, исходя из заданной вероятности правильного обнаружения крупных и мелких деталей изображения объекта на входе АЦП и соответствующего ему отношения сигнал/шум ц/пор.
При расчете режима функционирования телевизионной системы важным является предварительное обоснование и анализ исходных данных, полученных из анализа 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 некоторых усредненных показателей, известных из практики наблюдений за подобного рода объектами. В другом случае характерном, в частности, при оптимизации результатов расчета, определенные исходные данные, такие, например, как контраст или размеры объекта, задаются в пределах, обусловленных назначением и условиями эксплуатации системы. Решение задачи при этом существенно усложняется и требует применения средств вычислительной техники.
11.2. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ ВИЗУАЛЬНОГО ТИПА
Зрительный аппарат человека является замыкающим звеном в цепи передачи информации большинства наблюдательных телевизионных систем. Поэтому любые расчеты параметров таких систем должны вестись с учетом свойств зрения Приводимый расчет строится на физических характеристиках глаза, лимитирующих обнаружительную способность системы. Исходными данными для расчета являются: вероятность обнаружения объекта на экране кинескопа Ро6н; минимальный угловой размер наблюдаемого на экране объекта или его детали а; яркость адаптации глаза оператора, зависящая от места расположения и освещенности видеоконтрольного устройства, Za; видимая яркость фона в изображении 226
на экране, устанавливаемая оператором в зависимости от общей обстановки наблюдения в; верхняя граница спектра видеосигнала /в (нижняя граница спектра считается близкой к нулю); период смены кадров Гк; период мельканий изображения на экране Тм или скорость перемещения изображения объекта по экрану; параметры модуляционной и частотноконтрастной характеристик кинескопа и светосигнальной и частотноконтрастной характеристик фотопреобразователя.
Задача расчета — определение минимально необходимых значений сигнала от объекта и фона на выходе фотопреобразователя, при которых обеспечивается обнаружение изображения объекта на экране кинескопа с заданной вероятностью, и затем требований к контрастной и энергетической чувствительности системы.
Предполагается, что видеотракг до модулятора кинескопа линеен, а его амплитудно-частотная характеристика с учетом коррекции частотных искажений, вносимых входной цепью, имеет квазипрямоугольную форму.
Возможность обнаружения изображения объекта оператором определяется контрастной чувствительностью его зрения (КЧЗ). Напомним, что контрастная чувствительность зрения есть безразмерная величина, обратная пороговому контрасту изображения объекта jK^,, при котором он обнаруживается оператором с вероятностью Робн: е = 1 /Л^тор.
В логарифмической шкале яркостей пороговый контраст согласно формуле (1.5) равен 8 = 1g [l/(l-j^op)].
Значение 8 сложным образом зависит от яркости адаптации глаза оператора, яркости и угловых размеров изображения объекта, уровня шумов в изображении и т. д. Однако вследствие малого изменения значений влияющих факторов для реальных телевизионных изображений их можно считать взаимонезависимыми. Тогда по формуле (1.6) имеем
5 = 5оПЛ>
1=1
где 80 — пороговый контраст при нормальных условиях наблюдения, 80=0,01 (п. 1.2.);/.— нормированные функции, учитывающие изменения порогового контраста при отклонении условий наблюдения от нормальных; п - число учитываемых факторов.
Функция/(Р), учитывающая вероятность обнаружения объекта на экране кинескопа в зависимости от его контраста, показана на рис. 1.5, а сама вероятность обнаружения связана с временем обнаружения объекта соотношением (1.8).
Нормированную функцию /2(а) рассчитывают по формуле (1.9) или соответствующему ей графику (см. рис. 1.6). При уточнении углового размера изображения объекта или его детали на экране кинескопа а следует учитывать минимально необходимое число строк, приходящихся на воспроизводимое изображение, относительные размеры объекта, размеры экрана кинескопа и расстояние от экрана до оператора, составляющее обычно четыре-пять высот экрана.
Функция ^(т) учитывает инерционные свойства зрения, ^(т) = где ^—эффективный контраст изображения объекта; т —время предъявления объекта наблюдателю. При наблюдении на экране кинескопа ма-
227
лоподвижных объектов время т по сравнению с временем инерции зрения $ относительно велико и можно положить К-К^. Тогда ^(т) = 1. В остальных случаях следует руководствоваться рекомендациями, изложенными в пп. 1.1,1.2.
Значение функции Д(Э0), учитывающей соотношение между средней яркостью изображения на экране кинескопа L и яркостью адаптации Za, находят по формуле (1.10) или графику, приведенному на рис. 1.7.
Значение функции /5(ст), учитывающей влияние зашумленности предъявляемого наблюдателю изображения на пороговый контраст, определяется по формуле (1.11) или графику, изображенному на рис. 1.8. Эффективное значение шумов в наблюдаемом изображении стю предварительно находят по формуле
стиз=0,43уЛш(^э/^ф.м), (И-1)
где 17шэ — напряжение шума на модуляторе кинескопа, учитывающее его частотно-контрастную характеристику; м — напряжение сигнала на модуляторе кинескопа от фоновой засветки; кш— коэффициент, учитывающий снижение видимой яркости шумов вследствие их усреднения люминофором кинескопа и глазом наблюдателя, кш < 1; у — показатель нелинейности модуляционной характеристики.
Определим неизвестные величины, входящие в формулу (11.1). Напряжение шума итэ можно найти на основе функции спектральной плотности шума Fn(f), приведенной к экрану кинескопа, В2/Гц:
_ R
I 0
Функция Fn(f), учитывающая шумы видикона, сопротивление его нагрузки Л и шумы входного полевого транзистора, эквивалентное шумовое сопротивление которого равно R^ с учетом полной коррекции частотных искажений, вносимых входной цепью, может быть представлена в виде
Fa(f) = [4kTRK2(l + Rai/R + 4n2RC2f2RtB) + F$ (f)K2
где к — постоянная Больцмана; Т— значение абсолютной температуры; K.Q — коэффициент усиления видеотракта; С— емкость входной цепи усилителя; F^(f) — спектральная плотность шума видикона, F$(f) и 2einI? (где /п— сила тока коммутирующего пучка); Q / 2я — приведенная частота апертуры кинескопа.
Последний сомножитель в приведенной формуле представляет собой квадрат частотно-контрастной характеристики кинескопа. Расчет функции Fn(f) показывает, что в большинстве случаев она относительно слабо зависит от частоты, т. е. шумовые флуктуации яркости на экране кинескопа близки к «белому шуму». Это позволяет принять коэффициент кх в формуле (1.11) равным единице.
При использовании в качестве фотопреобразователя матрицы ПЗС приведенное к экрану кинескопа напряжение шумов £7ШЭ можно найти, исходя из расчета суммарного напряжения шумов самого ПЗС и тепло
228
вых шумов встроенного предварительного усилителя Um (см. п. 3.6). Если предположить, что спектральная плотность этих шумов приблизительно постоянна, а ЧКХ видеотракта и входной цепи имеют квази-прямоугольные формы, то с учетом ЧКХ кинескопа можно записать
где Sj, —площади под кривыми 1 и 2 на рис. 11.2 соответственно (/ — ЧКХ видеотракта; 2— ЧКХ кинескопа, аппроксимируемая функцией K^J) = exp [- (2р// Q)2] или К^(т) = ехр [- (т/т^\ где те — количество твл, на котором ЧКХ спадает до значения 1/е = 0,37).
Коэффициент кш можно определить по формуле
21
. * 1 7
1-е а
(l+ajd)/
_ - J -2aj t
2е а е 1
ГкЦ+оц») + -2.0-^
1 “ s
1 — е "
1/2
Л,
где функция затухания люминофора принята равной <р(0 = е“а‘'.
Для значений Тк = 40 мс, 3 - 0,05 с и 04 = 80 1/с получаем = 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 [32] будет
4
(П-2)
где Lm — максимальная яркость свечения люминофора от полезного сигнала на модуляторе (яркость «под лучом»); тв — время возбуждения люминофора, которым по причине его малости по сравнению с длительнос-
тью затухания и временем 3 можно пренебречь.
Средняя яркость изображения на экране кинескопа отличается от видимой яркости тем, что в средней яркости не учитываются инерционные свойства зрения, т. e.Z,
г
Т С - a, t , *Л.(11.3) лк 0
Решая совместно выражения (11.2) и (11.3), получим
Рис. 11.2. Частотно-контрастные характеристики видеотракта и кинескопа
Z = ZB(l-e"“A). (11.4)
229
Выражение (11.4) позволяет по известным значениям видимых яркостей объекта LOB и фона L^B найти соответствующие им средние яркости Lo и 5>-
Поскольку известна модуляционная характеристика кинескопа, аппроксимируемая функцией Х = р£Пм, где Uc w— сигнал, приложенный
к модулятору относительно точки запирания, то можно определить среднюю яркость свечения экрана с учетом шумовой подсветки, являющейся результатом детектирования шума кинескопом (п. 1.1). Эта яркость получается при усреднении мгновенной яркости Р(ПСМ + Um (где Цш м — мгновенное напряжение шума на модуляторе), по всем значениям (7Ш м. При определенных допущениях и согласно выражению (1.4) имеем
_ Р М ) °? 2 ,,
ТО* Ч*н н и ' х и /и
При у = 2 формула (11.5) преобразуется к виду
L =₽^.м{фме-*“/2/>/2^+[(1 + ^)/2][1+Ф(ум)]}, (ц.6) где Ф('ИМ) — интеграл вероятности.
Выражения (11.4) — (11.6) позволяет установить однозначную связь между видимыми яркостями Lo в и L$ в и соответствующими значениями напряжения сигналов на модуляторе кинескопа Uo ми (7ф м при известном среднеквадратическом значении напряжения шумов м. Для этой цели можно воспользоваться также графиками L=/(\|/M), приведенными на рис. 11.3.
Среднеквадратическое значение напряжения шума на модуляторе кинескопа можно определить путем пересчета составляющих шума, действующих на входе видеотракта, через его коэффициент усиления К# При этом, согласно принятому условию для трубок класса видикон, коэффициент передачи входной цепи и амплитудно-частотная характеристика видеотракта соответственно равны:
^BX(/) = 1/V1+(2’C/AC)2; ^у(/) = ^0/71 + (2л/ЛС)2.
С учетом шумов видикона, нагрузочного сопротивления и шумов полевого транзистора, наиболее часто применяемого во входном каскаде в качестве активного элемента, выражение для иш м приобретает вид
и^ы =4kTRKlfB
R^j 4n2RC2fBR^
1+Т +----------
+С^о>
(11.7)
где Um — среднеквадратическое значение напряжения шумов на выходе видйкона (п. 3.4).
Для матрицы ПЗС в соответствии с принятыми ранее условиями ^Ш.М=ВДи- (11.8)
230
Значение необходимого коэффициента усиления видеотракта можно ориентировочно выбрать, исходя из минимально допустимого сигнала, генерируемого фотопреобразователем, и напряжения на модуляторе кинескопа, при котором обеспечивается его нормальное функционирование (например, разрешающая способность) и требуемая средняя яркость.
После нахождения эффективного значения шума в наблюдаемом изображении согласно формуле (11.1) и затем вычисления функции f5(cf) по формуле (1.6) определяют значение 8.
Видимая яркость изображения объекта LO B будет равна: для прямого контраста Zo. в = в /!°8» ДЛЯ обратного контраста Zo в = в- 10s. Это значение яркости следует рассматривать как необходимую яркость мелких деталей опознаваемого объекта. Затем
Рис. 11.3. Графики зависимости относительного значения средней яркости экрана /• / РШш. w)’ от СЕМЗДёНИЯ СИОЙл/цуЛ »рк на модуляторе кинескопа
уточняют значения яркости ZO B для крупных деталей с учетом апертурных искажений, вносимых фотопреобразователем и кинескопом (см. п. 2.2).
Если обозначить коэффициент модуляции (относительную глубину модуляции) яркости в изображении объекта на экране кинескопа от одиночной мелкой детали MY, а коэффициент модуляции выходного сигнала фотопреобразователя — М., то результирующий коэффициент будет мр = мкмф.
В общем случае значение этого коэффициента будет зависеть от конфигурации детали. Для его ориентировочного определения можно воспользоваться результирующей продольной ЧКХ, учитывающей ЧКХ кинескопа К^т) и фотопреобразователя с объективом К^т). При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Если деталь имеет протяженность в поперечном направлении не менее нескольких строк, то коэффициент Мр будет представлять собой ординату продольной ЧКХ, соответствующую частоте штрихов т = Рэ /а, где а — угловой размер наблюдаемой детали в продольном направлении; Рэ — угол зрения вертикального размера растра. Отметим, что соответствующая частота видеосигнала будет при этом равна /= т]2\., где тс и 55 мкс — время прямого хода строчной развертки согласно существующему стандарту. Если деталь
231
близка по форме к квадрату, то коэффициент Л/р рекомендуется брать равным квадрату указанной ординаты.
Согласно рис. 11.4, а, коэффициент модуляции в случае прямого контраста можно представить в виде
мр = (£ф - 4) / - Z?) = (£ф.в - 4. в) / (£ф. в - ),
где и L оРв —средняя и видимая яркости изображения объекта крупных размеров.
Принимая во внимание, что для прямого контраста 4rop=(Ai>.B_ -£ов)/£фв, получаем В случае Мр=1 имеем
-^ов = Lo в- Очевидно, что яркость 4Рв будет положительной только при условии Кпор<Мр. При Кпор>Мр задача не имеет смысла, так как размеры детали оказываются за пределами разрешающей способности системы, определяемой уровнем отсчета А = 4ор- Затем по полученному значению видимой яркости объекта L^PB в рассмотренном порядке находим сигнал ^о.м-
Аналогично для обратного контраста (рис. 11.4, б):
^р = (4.в-4.в)Жрв-4.в);
1%в = £фв{[^пор +Мр(1 -^пор)]/[Мр(1 - Кпор)]}.
При Мр = 1
^b=4.b/(1-W
Искомые напряжения сигналов от объекта и фона на выходе фотопреобразователя определяют из соотношений:
U ж = U /Кл IL. =IL /К-о. ф О. М ’ ф. ф ф. М' д)
Таким образом, на выходе фотопреобразователя необходимо обеспечить электрический контраст (контраст сигналов)
K=(U..-U)/U..
с v ф.ф о.ф' ' ф.ф
Рис. 11.4. К определению коэффициента модуляции яркости изображения для прямого (а) и обратного (б) контрастов объекта с фоном
232
По расчетной или экспериментальной характеристике свет—сигнал фотопреобразователя находят значения освещенностей, отвечающих изображениям объекта и фона. Если сигналу ф отвечает освещенность Еф ф, а сигналу Uo ф — освещенность Ео ф, то контрастная чувствительность системы в заданных условиях наблюдения будет определяться входным контрастом изображения (прямой контраст)
А«=(£ф-£о>/^ (и.9)
а энергетическая (световая) чувствительность — значением Еф.
На практике может встретиться случай, когда заданной является не видимая яркость фона (объекта) на экране кинескопа, а предельное значение освещенности Еф (или Ео) фотопреобразователя, лимитируемое обычно мощностью источников освещения объекта, а также входной контраст, зависящий от действительного контраста объекта с фоном и среды распространения лучистой энергии. В этом варианте расчета необходимо установить факт возможности обнаружения объекта на экране кинескопа, который вытекает из условия 8 > 8Д0П, где 8Д0П — пороговый контраст, рассчитываемый по формуле (1.6).
Порядок расчета в этом случае будет следующим.
1. По заданному значению освещенности Еф ф (или Ео ф) и контрасту на основании формулы (11.9) находят освещённость Ео ф (или Еф ф).
2. По светосигнальной характеристике фотопреобразователя определяют сигналы (70 ф и (7ф ф и затем — соответствующие сигналы на модуляторе кинескопа Uo м и 1/ф м. При этом коэффициент усиления видеотракга выбирают аналогично предыдущему случаю.
_ 3. Согласно формуле (11.7) и (11.8), рассчитывают напряжение шумов ишм и затем — отношение сигнал/шум на модуляторе кинескопа ц/о м и ц/фм.
4. На основании формул (11.5) и (11.4) определяют значения средней и видимой яркостей L и LB для объекта и фона с учетом апертурных искажений, вносимых фотопреобразователем и кинескопом.
5. По формуле (1.6) рассмотренным путем вычисляют значение 8Д0П.
6. По видимым значениям яркостей объекта и фона рассчитывают значение 8. При Лф в > Lo в(прямой контраст) имеем 8 = 1g Ьф в - 1g а при обратном контрасте 8 = 1g Z£PB - 1g Ьф в.
7. На основании сравнения значений 8ДОП и 8 делается вывод о возможности обнаружения объекта.
В конце расчета целесообразно определить время обнаружения объекта. На основании формулы (1.8)
u = 'g[rA-)^/6,9Cp«3CB.
'1 -'об'
где угол Рэ — в градусах; а — в угл. сек.
Пороговый контраст А^1ор при этом вычисляют по формуле
В случае движения объекта наблюдения в приведенную методику расчета следует внести дополнения, связанные с необходимостью учета влияния скоростного смазывания изображения на характеристики и параметры систе-16, , 233
Зак. 352
мы. Во-первых, результирующую ЧКХ системы необходимо дополнить сомножителем Ks(m):
К(т)=Кк{т)К^т)Къ(т).
При условии линейного накопления в фотопреобразователе, характерного в первом приближении для матриц ПЗС и малоинерционных видиконов в пределах рабочих участков их светосигнальных характеристик, по формуле (10.12) имеем
X8(m) = sin7r8^/(7t8^),
где £ = т / 2Za; 8С — зона смещения изображения, образуемая за время кадра Тк (или полукадра при чересстрочном разложении вследствие значительного перекрытия строк в соседних полукадрах).
При линейном перемещении объекта со скоростью она равна
где h — высота поля зрения объектива в плоскости объекта; Za — число активных строк разложения.
Расчет частотных характеристик при нелинейном (в частности, экспоненциальном) накоплении частично рассмотрен вп. 10.4. Величину зоны смещения при вибрациях объекта рассчитывают по формуле (10.23).
Очевидно, что за счет скоростного смазывания изображения разрешающая способность системы, равно как и коэффициент модуляции Мр для заданного значения т, уменьшается по сравнению с тем, когда скорость поб = 0. Если при этом окажется, что значение коэффициента Л/р станет меньше А^ор, то необходимо уменьшить время экспонирования t3 по сравнению с временем Тк, применив в телевизионном датчике затвор, источник импульсного освещения объекта или сочетание того и другого. Время экспонирования при этом должно быть выбрано таким, чтобы зона смещения сократилась до значения
8 = и RZ t / h, с об а э' ’
при которой коэффициент модуляции Л/р станет больше А^ор.
Поскольку любое сложное изображение содержит не только мелкие, но и крупные детали, при выборе времени экспонирования следует учитывать ухудшение резкости границ этих деталей, вызванное не явлением скоростного смазывания. При линейном накоплении по формуле (10.16) имеем
( ААхн [И7
0,8Zat>o6 у А.2О
где Ахи — зона размытости переходной характеристики системы в случае неподвижного изображения, Ахи = 1 +2 элемента; А.о— допустимое относительное ухудшение резкости движущегося изображения по сравнению с неподвижным, Хо2:0,8.
Окончательно выбрать значение ts следует на основе анализа обоих рассмотренных критериев, т. е. с позиций ухудшения воспроизведения мелких деталей и резкости изображения.
Во-вторых, при переходе к импульсному режиму экспонирования фотопреобразователя его освещенность от фона Е^_ ф и о&ьекта Ео ф удобнее заме
234
нить на соответствующие экспозиции Д,, ф и Но ф. Нахождение этих величин наиболее точно осуществляется по импульсным характеристикам свет—сигнал, снятым для разных частот экспонирования. При этом одновременно учитывается и спектральный состав рабочего источника излучения. Однако ввиду отсутствия импульсных характеристик для разных типов фотопреобразователей, снятых по рабочим источникам, в первом приближении можно воспользоваться обычными характеристиками, снятыми по эталонному источнику типа «А», считая, что вплоть до времени экспонирования 1-2 мкс выполняется условие взаимозаместимости между освещенностью и временем т8. Тогда для частоты экспонирования 50 Гц (частота полукадров) я£ф = ^ф фГк; ЯАф =^офГк. При меньших значениях t3 следует вводить поправочный коэффициент [42].
После определения экспозиций ЯАпо вычисленным ранее значениям силы тока или напряжения сигналов на выходе фотопреобразователя необходимо уточнить значения экспозиций с учетом спектрального состава рабочего источника излучения по формуле
00 0О
[ФА^[Ф₽О^
ffP _ Ц А э^г- р _ jyA _0__________О_
К”Кгэ /Ф^Л/Ф-^л’
о о
где Кр и кэ — коэффициенты использования фотопреобразователем лучистого потока, создаваемого рабочим и эталонным источниками соответственно; Kj. р и Kj. э — КПД глаза по рабочему и эталонному источникам соответственно; Фк— спектральная плотность излучения источника; характе-
ристика спектральной чувствительности фотопреобразователя; — кривая видности глаза.
Прямой входной контраст изображения, определяющий контрастную чувствительность системы, будет равен
Явх=(Я|ф-ЯоРф)/ЯРф,
а световая чувствительность системы определяется значе нием Я| ф.
Пример 1. Рассчитать контрастную и световую чувствительности телевизионной системы с передающей трубкой «видикон» ЛИ468.
Исходные данные для расчета: вероятность обнаружения малоподвижного объекта Роб= 0,95; минимальный угловой размер обнаруживаемой на экране кинескопа детали объекта а = 12,5' при угле зрения вертикального размера растра 0Э- 20°; яркость адаптации Za=30 кд/м2; видимая яркость фона в изображении на экране кинескопа £ф в = 60 кд/м2 (контраст прямой); верхняя граница спектра видеосигнала fB=5,5 Мгц; разложение изображения на приемной и передающей сторонах стандартное; параметры входной цепи усилителя: R = 100 кОм, С- 20 пФ, R^-100 Ом; параметры характеристик кинескопа: Q / 2л = 5,5 МГц, 0 - 0,4, у = 2.
1. Определим среднеквадратическое значение шумов на модуляторе кинескопа. Пренебрегая шумами видикона, получаем на основании выражения (11.7)
235
и*м = 4£ТЯАГО7В[1 +яш / А +4тг2АСЛ2Аш /3] = 0,32 В2, где принято Т- 300 К и Д = 2000 (в этом случае при силе тока сигнала видикона 0,1 мкА получается напряжение сигнала на модуляторе кинескопа 20 В). _
Отсюда следует, что U,,lK = 0,57 В.
2. Находим значение сигнала от фона на модуляторе кинескопа £7ф м. Для этого вначале определяем среднюю яркость изображения от фона Хф и отношение сигнал/шум на модуляторе \|<ф м. По формуле (11.4)
Гф=Хф.в(1-е-“17Ъ = бО кд/м2,
где at = 80 1/с.
Значение уф м можно определить по графикам приведенным на рис. 11.3. Однако, принимая во внимание, что отношение £$ /рС7щ.м = 480 » 10, влиянием детектирования шумов кинескопом можно пренебречь и искомый сигнал непосредственно найти из формулы Хф = Р K = 60 кд / м2.
Отсюда С7ф м« 12,5 В и, следовательно, \|/ф м = 17ф м /17шм = 22.
3. Находим по формуле (1.6) пороговый контраст 8. Для этого предварительно определяем функции f(i) по соответствующим формулам и графикам. Значения функций: ft(p) = 1,8; /2(а) = 2,7; /3(т) = 1. При условии 0а = 1g (60 / 30) = 0,3 получаем Д(9а) = 1.
Для расчета функции f5(cs) находим эффективное значение шумов в наблюдаемом изображении оиз. Пренебрегая шумами видикона, строим вначале функцию спектральной плотности шума FQ(f) (рис. 11.5) и затем методом графического интегрирования находим напряжение шума ^ш.9=Ж(/)4Г=о,21 в.
! 0
Коэффициент кш при условии = 80 1/с и 0 = 0,05 с равен 0,21.
Эффективное значение шумов в изображении будет равно Оиз=0,43у^ш.э/аф.м =0,003, а значение функции -
Л(ст)= 1
/5к ’ Г+ИЛ(9а)] L
Рис. 11.5. Функция спектральной плотпости шума, приведенная к экрану кинескопа
236
Таким образом, шумы в изображении будут практически незаметны. Окончательно получаем
8=80ПЛ =0,05. /=1
4. Определяем видимую яркость изображения мелких деталей объекта по формуле
4.b=W1o8=:53’5 к^2-
5. Уточняем значение яркости L&B , воспользовавшись формулой /Л/р) «53,5 кд/м2,
где Апор= (/ф.в- /0-в) / /ф.в= 0,1.
Коэффициент модуляции Мр определен для значения т = 0Э /а=96 твл по ЧКХ видикона ЛИ468 и кинескопа с приведенной частотой апертуры Q/2л = 5,5 МГц: Мр = 0,97.
6. Находим среднее значение яркости изображения объекта
Lo = L^(l-е-“Л)« 53,5 кд/м2.
Тогда уо м « 20 и Uo м= 11,4 В.
7. Находим напряжения сигналов на выходе видикона:
^a=^u/^ = 5,7mB; U.. = U.u/JC = 6,3 мВ.
8. Определяем контраст сигналов на выходе видикона
К = J/C7. .=0,1.
с ' ф. ф о. Ф' ' ф. Ф *
9. Определяем освещенности Е^ и Ео $ по светосигнальной характеристике видикона для токов сигналов i0'= U,/R- 0,057 мкА и = = Оф. ф/Я = 0,063 мкА:
Д) = 0,28 лк; _Еф=0,32 лк.
10. Находим контраст изображения на входе
J/E^^ 0,13.
вх 4 ф. ф о. фх ' ф. ф *
11. Контрастная и световая чувствительности системы будут равны:
ес = 1/А;х=7,7; ес = 1Мфф=31 1/лк.
Пример 2. Рассчитать контрастную и световую чувствительности телевизионной системы, в которой применена матрица ПЗС типа ФПЗС1М.
Исходные данные для расчета: вероятность обнаружения изображения объекта на экране кинескопа Р&=0,85; минимальный угловой размер изображения детали объекта а = 6'; угол зрения вертикального размера растра 0Э = 20°; яркость адаптации глаза оператора Za= 30 кд/м2; видимая яркость фона в изображении на экране в = 60 кд/м2 (контраст прямой); разложение изображения стандартное; параметры характеристик кинескопа 0 = 0,4, у = 2, те= 1000твл.
1. Определяем среднеквадратическое значение напряжения шума на модуляторе кинескопа С7ШМ, которое складывается из напряжения шума матрицы пзс и теплового шума встроенного предварительного усилителя.
237
О'ш.ус- Если предположить, что спектральная плотность всех составляющих шума приблизительно постоянна, входная цепь не вносит заметных частотных искажений ввиду малой входной емкости встроенного полевого транзистора, а АЧХ усилителя близка к прямоугольной, то
^ш.м = *0 ПЗС + ^ш. УС •
Шумы ПЗС складываются из нескольких составляющих, однако основную роль играют шумы переноса зарядов, равные (п. 3.6)
^ш.п ® (ЗОс/С[)Ь!Х= 1,6 мВ,
где е — заряд электрона; Свкх — выходная емкость матрицы, & 0,1 пФ;
йтах ~~ максимальное число трехфазных переносов зарядового пакета, лтах=1Ю0.
Шумы усилителя
^ш.ус = л/4^АпА= 0,016 мВ,
где шумовое сопротивление полевого транзистора принято - 2,8 кОм, температура Т= 300 К. _
Примем для расчета Ко = 500. Тогда ишм = 0,8 В.
2. Вычислим напряжение сигнала от фона на модуляторе кинескопа I/ф м при средней яркости изображения от фона
£ф = £ф в(1-е~“1Гк) « 60 кд/м2,
где O.J = 80 1/с.
Пренебрегая влиянием детектирования шумов кинескопом, находим напряжение сигнала по формуле
^,м=уД7₽ = 12,5 В.
3. Определим пороговый контраст 8 при значениях функций: f^P) = 1,5; /2(а)=4,0;/3(т) = 1;/4(Ва) = 1.
Для расчета функции^(ст) предварительно находим эффективное значение шумов в изображении аиз при условии что, согласно рис. 11.2
г7ш.э=^ш.м(‘У2/^1) = 0,68 В,
где б'р $2 — площади под графиками 1 и 2 соответственно.
Получим СТИЗ = 0,01 и£(сг) as 1.
Окончательно 8 = 0,06 и, следовательно,
^ор = (Ю8 -1)/ 10s = 0,13.
4. Определим видимую яркость изображения мелких деталей объекта A,.B = W Ю8 = 52,3 вд/м2.
Определим 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 коэффициент модуляции Л/р=0,46 и тогда
238
С» =^ф.»(1-^пОр/^р) = 43 КД/М2.
5. Находим среднее значение яркости изображения объекта
Zo = £*рв(1-е~“1Гк)® 43 кд/м2
и затем напряжение сигнала от объекта на модуляторе кинескопа
^.„=^0=10,4 В.
6. Определим напряжение сигналов на выходе матрицы
^*=^«/^=21 мВ; ЕЛ . = U. Ы/К. = 25 мВ.
О. ф О.М' и ’ ф.ф ф.М' и
7. По полученным значениям сигналов и вольтовой чувствительности матрицы ФПЗС1М на линейном рабочем участке светосигнальной характеристики s = 20 мВ/лк находим соответствующие значения освещенностей:
Е. . = U. . / s = 1,25 лк; Еп . = U . / s = 1,05 лк.
ф. ф ф. ф' ’ ’ о. ф о. ф' ’
8. Определим контраст изображения на входе
К = (Е..-ЕЛ/Е.. = 0,16.
вх 4 ф. ф о. ф7 • ф. ф ’
9. Определим контрастную и световую чувствительности системы:
Ес = 1/^=6,25;ес=1/^ф=0,8 1/лк.
11.3. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
В автоматической системе процесс обнаружения объекта на окружающем фоне осуществляется не зрительным анализатором оператора на экране кинескопа, а пороговым устройством (компаратором), входящим в состав аналого-цифрового преобразователя. В задачу определения условий обнаружения, а затем при необходимости и опознавания объекта входит расчет энергетической и контрастной чувствительностей системы, т. е. минимальных значений входной энергии (экспозиции, освещенности) и входного контраста, при которых пороговое устройство регистрирует объект с заданной вероятностью.
Расчет начинается с определения требуемого отношения сигнал/шум на входе порогового устройства \|/. При определении ц/ видеотракт можно считать линейным, а его полосу частот — близкой к полосе идеального фильтра нижних частот. В общем случае ошибки за счет флуктуаций состоят из ложных тревог и пропусков (рис. 11.6, а, б).
На рисунке обозначены: 17“ — уровень сигнала от мелкой детали объекта; 17^ — уровень сигнала от крупной детали; Е7ф—уровень сигнала от фона; 17п — пороговый уровень компаратора; U — динамический диапазон напряжений компаратора.
239
Рис. 11.6. Ошибки за счет флуктуаций видосигнала при обратном (с) и прямом (6) контрастах изображения: 1 — ложная тревога; 2 — пропуск; 3 — сигнал от мелкой детали; 4 — сигнал от крупной детали
Ложная тревога имеет место при превышении порогового уровня флуктуациями фона, и для ее характеристики используют отношение сигнал/шум, определяемое по формуле
Ф ф ~ 1^п ~ ^Ф I / пор •>
где ^ш.пор — среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства.
240
Пропуск сигнала имеет место, когда из-за флуктуаций сигнала последний не достигает уровня Un. Тогда для характеристики пропуска используют величину
Y0=l^o -^п1/^п.пор.
При постоянстве уровня шумов в системе требуемое отношение сигнал/шум находят по формуле
Ч = Y4, + Yo = IC -| / ^Ш.ПОР •
Если положить, что разность \U“ ~иф\ = &.U равна одной градации сигнала, которая может быть зафиксирована компаратором, то отношение сигнал/шум приобретает характер порогового значения, т. е. \|/ = \|/пор, достаточного для обнаружения не только крупных, но и мелких деталейизобра-жения. Допустимая вероятность ложной тревоги т связана со значением \|/ соотношением
Л.г=о,5[1 -<г> (ч/ф)Ъ
где Ф (\|/ф) — интеграл вероятности.
Отсюда по заданному значению Рл т можно найти требуемое значение \|/ф. В частности, если положить Ря т= 10'4, то 4% ~4.
Аналогично находят вероятность пропуска
Рпр = О,5[1-Ф(ч/о)], которая связана с вероятностью правильного обнаружения равенством рпр =1 - о- Если Рп 0= 0,95, то Рпр=0,05 и ц/0 = 1,7.
Таким образом, требуемое пороговое отношение сигнал/шум на входе компаратора в рассмотренном примере ц/пор = 4 + 1,7 = 5,7.
Решение задачи опознавания связано обычно с необходимостью обнаруживать не только крупные, но и мелкие детали изображения объекта. При этом вследствие частотных искажений, имеющих место в объективе и фотопреобразователе (ЧКХ видеотракта можно считать близкой к прямоугольной), приходится увеличивать отношение сигнал/шум на входе компаратора от крупных деталей до значения ц/ > \|/пор, ПРИ котором обеспечивается необходимая продольная разрешающая способность системы тр (см. рис. 1.12, б). Найти требуемое значение ц/ можно с помощью ЧКХ фотопреобразователя с объективом, снятой для отношения сигнал/шум vpmax, при котором становится предельной разрешающая способность системы трр, и уровня отсчета Д = ц/пор/ vpmax. С этой целью на горизонтальной прямой Д (см. рис. 1.12, б) находится точка, отвечающая требуемой разрешающей способности /пр(ц/), и через нее с помощью стандартной ЧКХ, т. е. ЧКХ при 'Итах, пропорционально строится кривая, соответствующая требуемому значению \|/. Значение \|/ определяется затем по известному значению \|/тах.
В случае регистрации системой движущихся изображений в ЧКХ телевизионного датчика следует ввести сомножитель К&(т), учитывающий явление скоростного смазывания (см. п. 10.4).
Определение энергетической и контрастной чувствительностей автоматической цифровой системы рекомендуется проводить, исходя из дина
241
мического диапазона входных напряжений /«'-разрядного АЦП U^, предельной чувствительности его компаратора Д U, равной
Д£7= ?7д/(2т-1), и требований к числу кодируемых градаций сигнала п.
Согласно рис. 11.6, сигнал от любых крупных деталей опознаваемого объекта и*р, сигнал от его наименьшей детали и* и сигнал от окружающего фона С7ф должны находиться внутри диапазона UR, какправило, ограниченного снизу уровнем шумов на входе компаратора ишлор. Если в поле зрения оптической системы находится ряд объектов различной яркости, то соответствующие им сигналы также должны находиться в рамках динамического диапазона.
Предположим, что яркость объекта превышает яркость фона, т.е. имеет место обратный контраст. Тогда, чтобы закодировать минимальную разность сигналов U* -U^, необходимо выполнить условие срабатывания компаратора: U* -U^ = \рпор пор > Д£7. Соответственно для крупных деталей объекта U*р - U ш ПОр • Выбор напряжения сигнала от фона С/ф зависит от требований к использованию динамического диапазона АЦП, связанных с передачей изображений всех объектов, и может быть осуществлен выбором некоторого коэффициента />0<1, причем U^ = CZ.(1 -р0). Если использовать предельное условие срабатывания компаратора, при котором кодируется максимальное число градаций сигнала, то допустимое среднеквадратическое напряжение шума на его входе будет
ит. пор = -^l/Vnop = / фпор,
а напряжения сигналов от крупных и мелких деталей объекта для случая обратного контраста:
U? = U* + ц/ иш. пср = цд(1 - р0) + Д Uy /ц/пор;
+ц/пор йш. пор = ил(1-Ро) + ьи.
Коэффициент усиления видеотракта для трубок класса видикон можно определить из выражения (11.7), в которомнапряжетие шума Цшм следует заменить на пор, а для ПЗС KQ = пор /(7Ш, где Um — шумовое напряжение матрицы. Приведенные соотношения наряду со светосигнальной характеристикой фотопреобразователя позволяют определить энергетическую и контрастную чувствительности системы.
Примеры. Определим энергетическую и контрастную чувствительности системы для случая максимального числа градаций сигнала на входе компаратора при следующих условиях: фотопреобразователь — матрица ПЗС с вольтовой чувствительностью s = 40 мВ/лк; vp = 20; vpnop = 5,7;
= 1,6 мВ; UR= 2 В; т' = 6; контраст обратный.
1. Находим предельную чувствительность компаратора АЦП
ДС7= С/д/(2га-1) = 0,031 В.
2. Выбираем Ро=О,5 и находим напряжение сигнала от фона на входе АЦП
242
U^UJl-p^lft в.
3. Определяем допустимое напряжение шумов на входе АЦП
Ош. пор = WVnop = 5,5 мВ.
4. Определяем напряжения сигналов от крупных и мелких деталей объекта:
и^=иф+ц>йшпор =1,11 В;
^оМ=^ф+Ч'„ор^ш.пор=1,032 В.
5. Находим требуемый коэффициент усиления видеотракта ^о=^ш.поР/Ош =3,5.
6. Рассчитываем напряжение сигналов на выходе ПЗС:
U^=U^/Ko = O^6 В;
£7фф =£7ф/^0 = 0,285 В.
7. Находим входной контраст, определяющий контрастную чувствительность системы, равный доя ПЗС контрасту сигналов,
^х=(СРф-^ф.ф)/Сф=0Л •
8. Освещенность на входе ПЗС, определяющая световую чувствительность системы, будет равна
^о = ^оКРф/^ = 8 лк.
Как видно из расчета, освещенность Ео оказалась настолько высокой, что вышла за пределы рабочего участка светосигнальной характеристики ПЗС, обычно ограничиваемого 3 — 5 лк. Уменьшить значение Ео можно двумя способами. Первый связан с увеличением коэффициентар0, что позволяет понизить уровень как сигнала от фона, так и сигналов от крупных и мелких деталей объекта на входе компаратора АЦП. Второй способ предусматривает повышение коэффициента усиления Д, что, однако, приводит к увеличению уровня шума пор и соответствующему снижению реальной чувствительности АЦП, т. е. уменьшению числа кодируемых градаций сигнала, так как при этом оказывается |£7“ -£7ф| > Д£7. В обоих случаях происходит обмен между энергетической и контрастной чув-ствительностями системы. В частности, приняв р0= 0,9, чему соответствует бф = 0,2 В и U*p =0,31 В, получаем при прочих прежних условиях: Ео - 2,2 лк, Дх = 0,36.
Решим теперь поставленную задачу, выбрав pQ = 0,9 и Д= 10. В этом случае получим следующие результаты. Напряжение сигнала от фона = =£7Д(1 -До) = 200 мВ. Напряжение шума на входе АЦП £7шгюр = иш Кй -16 мВ. Напряжение сигналов от мелкой и крупной деталей: £7“ = С7ф + ц/пор пор = = 291,2 мВ; £7qP =£7ф+ч/б'Г1. ПОр = 520 мВ. Соответствующие напря-
243
жения на выходе матрицы ПЗС: 17“ф=29 мВ; = 52 мВ; 17фф=20мВ.
Освещенность матрицы от объекта Ео = / s = 1,3 лк, контраст входно-
го изображения А"вх ~^ф.ф)/^м> = 0>6-
Для реализации этогорежимаработынеобходимоустановитьпорого-вое напряжение на компараторе АЦП пор+^ф = 264 мВ (здесь
в соответствии с ранее найденным значением \|/ф = 4). Число кодируемых градаций сигнала можно рассчитать по формуле
Для увеличения числа градаций необходимо увеличивать напряжение U°?. В предельном случае U*p -ид получаем п = 20, что, однако, требует увеличения освещенности матрицы до значения Ео=5 лк.
Рассмотрим теперь особенности расчета энергетической и контрастной чувствительностей системы при прямом контрасте изображения, т. е. когда Еф > Ео. Этот случай иллюстрируется рис. 11.6, б, из которого, в частности следует, что использование динамического диапазона компаратора АЦП можно охарактеризовать уравнением - U^X-p^), где по-прежнему коэффициент pQ < 1. Основные расчетные соотношения принимают следующий вид. Напряжение шума на входе АЦП пор = и^Кй , причем при расчете на максимум воспроизводимых градаций сигнала гюр = EU/ . Напряжение сигнала от фона 17ф = U*? + у Um пор, а напряжение сигнала от мелкой детали объекта — U* =Еф -уУпорСЦп. ПОр EU.
Число кодируемых градаций сигнала л = (/7ф ~U^)/),причем их максимальное количество получается при U*? = иш пор и 17ф = 17д. Напряжения на выходе фотопреобразователя и конечные результаты определяют аналогично рассмотренному случаю обратного контраста.
В качестве примера рассчитаем необходимую освещенность на входе матрицы ПЗС Еф и входной контраст при ранее принятых параметрах и значенияхр0 = 0,9, -10. В этом случае получаем: U*p = Uд (1 - р0) -= 200 мВ; йш пор =ЁШКО =16 мВ; иф =U? + Л.„ор = 520 мВ; Ц* = = ^ф-ЖпоР^ш. пор =428,8 мВ; / К. =20 мВ; Ц“ф =
= Uv0 /Ко «43 мВ; 17ф.ф= = 52 мВ; Un = ц/ф U^nop +^ф = 584 мВ;
л = (С2д-^)/(Ч/ПОр^ш.ПОр)«20; £ф=^ф.ф/5=13 лк; ^=(^фф--^ф)/^ф. ф = 0,6. Таким образом, результаты расчета энергетической и контрастной чувствительностей при прямом и обратном контрасте изображения одинаковы, но пороговое напряжение АЦП Un оказывается различным.
11.4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ПРИ НАБЛЮДЕНИИ В АТМОСФЕРЕ
Задачей энергетического расчета является определение необходимой яркости или освещенности объекта, при которой обеспечивается требуемая энергетическая чувствительность системы, а также определение его 244
контраста, при котором обеспечивается контрастная чувствительность системы (КЧС). Если контраст объекта с окружающим фоном задан, то проводят проверку его достаточности с точки зрения КЧС с учетом рассеивающих свойств среды. На основании энергетического расчета определяют необходимую мощность источников освещения объекта при работе системы в активном режиме или длительности светового дня при ее работе в пассивном режиме.
Если диффузно и непрерывно во времени отражающий объект конечных размеров занимает произвольно расположенную часть углового поля выбранной оптической системы, то освещенность в изображении объекта или фона на фотопреобразователе Е^ связана с искомой освещенностью Е соотношением
Е = Е 4(1 +К)2
Ф тторо£р cos4PCD//')2 ’
(11.10)
где т — интегральное значение коэффициента пропускания атмосферы;
Рис. 11.7. Кривые зависимости освещенности земной поверхности без снегового покрова от времени суток
245
Рис. 11.8. Кривые зависимости освещенности земной поверхности со снеговым покровом от времени суток
то — интегральное значение коэффициента пропускания оптической системы при р=0; ро — интегральный коэффициент отражения объекта или фона;
— коэффициент виньетирования оптической системы, зависящий от ее конструкции; р — угол между осью оптической системы и направлением на объект; V — линейное увеличение оптической системы, равное отношению заднего отрезка к расстоянию от объекта до передающей камеры; D — диаметр входного зрачка; f — фокусное расстояние.
Для объектов, расположенных близко к оптической оси объектива, а также для объективов с углами зрения не более 29О = 20-5- 25° зависимость освещенности Е от угла р оказывается несущественной.
Формулу (11.10) можно непосредственно использовать в случае естественного освещения объекта, зависящего от времени года и суток. Эту зависимость можно определить из кривых, построенных для горизонтальной освещенности на поверхности земли поданным В. В. Шаронова для 15-го числа каждого месяца на широте 60° и безоблачного неба (рис. 11.7 — земля без снегового покрова, рис. 11.8 — земля со снеговым покровом) [62].
При наличии источника искусственной подсветки расчет его силы света I будет помимо прочего зависеть от взаимного расположения источни-246
ка излучения и объектива передающей камеры. На практике встречается несколько моделей такого расположения. В дальнейшем будут рассмотрены две из них (рис. 11.9ирис. 11.10). Первая модель (рис. 11.9) характеризуется параллельным расположением 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 источника света. Для второй модели (рис. 11.10) базовое расстояние связано с углом наклона оси излучателя соотношением
v|/ = arctg (b/h).
В обоих случаях предполагается, что объект наблюдения располагается в точке А, находящейся на общей горизонтальной оси поля зрения объектива и раствора светового пучка, т. е. азимутальные углы этой точки равны нулю. Взаимосвязь между углами р и а (а — угол между осью излучателя и направлением на объект) устанавливается следующими формулами:
к рис. 11.9с учетом того, что = й/cos а,
Р = arctg [(й tg а - й) / й]; а = arctg [(й tg р + й) / й];
к рис. 11.10с учетом того, что lt = й/cos (а + к|/),
„ . Г й/Htgo: й! . йЧ£р
Р = arctg —--------------; а = arctg —------------
|_1-(й/йД£ a Aj й2 + bhtg р + й2
При работе с источником подсветки, создающим в нормальном направлении силу света I, освещенность объекта и фона для обеих моделей приближенно равна
E=Icos a/lf,
где Zj — расстояние от источника света до объекта.
Тогда формула (11.10) принимает вид
Рис. 11.9. Схема взаимного расположения ис -точилка освещения Я и ибьекгива О с параллельным расположением центральных осей
Рис. 11.10. Схема взаимного расположения источника освещения И и объектива Ос наклонным расположением оси излучателя
247
I = E 4/2(1 + К)2
ф ттоРсЛрсо8< ₽cos aUV/')2 (11-11)
Расчет силы света следует проводить для точки А, расположенной на краю поля зрения объектива, т. е, при р = 0О, и максимального значения расстояния /1; зависящего от угла а, который предварительно следует выразить через угол р. Угол рассеяния светового пучка 2а? необходимо выбирать таким образом, чтобы он обеспечивал перекрытие поля зрения объектива не менее чемна 10—15 %.
Определение интегральных значений коэффициентов отражения объекта (фона) и пропускания оптической системы осуществляется методом графического интегрирования по формулам:
0 -0---------- -г ~ ----------
Р 00 > ТО оо >
0 о
где Фх — спектральная плотность потока излучения источника; — спектральная характеристика фотопреобразователя; рх—спектральный коэффициент отражения; тоХ —спектральный коэффициент пропускания оптической системы.
Для определения значения коэффициентов р и т0 необходимо располагать спектральной характеристикой источника освещения объекта. Естественное дневное освещение отличается приблизительным постоянством спектральной характеристики в интервале от 450 до 550 нм. На краях видимого диапазона волн спад характеристики достигает 50 % от максимального значения в центре. Параметры и характеристики искусственных источников освещения, к которым относятся лампы накаливания, светодиоды, газоразрядные лампы и лазеры, приводятся в справочной литературе.
Спектральные коэффициенты отражения объектов и фонов, встречающиеся на практике, отличаются большим разнообразием. В частности, спектральные характеристики различных природных образований приведены в работе [33]. Учитывая, однако, сложность в определении спектральных характеристик многих естественных и искусственных объектов и фонов, при расчетах можно пользоваться ориентировочными значениями их коэффициентов отражения (табл. 11.1).
При работе телевизионных систем на открытом воздухе необходимо учитывать влияние поглощающих и рассеивающих свойств атмосферы на передачу лучистой энергии. Ослабление лучистого потока однородным атмосферным слоем толщиной / можно определить на основе закона Бугера
(11.12) где — спектральный коэффициент прозрачности (коэффициент пропускания) атмосферы; ех — спектральный показатель ослабления лучистого потока атмосферой, отнесенный к единице длины.
Аналогично формуле (11.12) можно записать выражение для интегрального значения коэффициента пропускания атмосферы:
248
Таблица 11.1
Отражающие поверхности
Природные образования и наземные объекты Материалы
Лес 0,07 - 0,09 Обои темные 0,09 - 0,20
Луг, степь 0,10 Обои светлые 0,30 - 0,50
Зеленая трава 0,14 Фанера темная 0,10 - 0,20
Желтая трава 0,22 Фанера светлая 0,30 - 0,40
Кустарник 0,05 - 0,12 Чугун необработанный 0,10
Водная поверхность 0,06 - 0,12 Свинец 0,26
Песок 0,15 - 0,35 Медь 0,32
Чернозем сухой 0,03 Побеленные стены 0,60 - 0,80
Почва суглинистая 0,15 Тес свежий сосновый 0,5
Дорога грунтовая, сухая 0,20 Чернила 0,01 - 0,04
Шоссе сухое 0,32 Типографская краска 0,03 - 0,05
Шоссе мокрое 0,11 Краска клеевая белая 0,75 - 0,85
Асфальт 0,08 - 0,15 Карандашная линия 0,12
Бетон 0,10 - 0,03 Бумага белая 0,60 — 0,80
Кирпич 0,10 - 0,15 Бархат черный 0,01 - 0,03
Штукатурка шероховатая 0,40 - 0,45 Бархат белый 0,50 — 0,60
Крыша железная красная 0,13 Шелк кремовый 0,25 - 0,55
Известняк светлый 0,40 Трикотаж светлый 0,25 - 0,35
Снежный покров свежий 0,4 — 0,85 Полотно льняное 0,65 - 0,75
Кожа лица человека 0,25 - 0,35 Кожа (сапожная) черная 0,02 - 0,05
Логарифмируя это выражение, получим значение показателя ослабления: е = - In т', где т' — коэффициент пропускания атмосферы на единицу длины (км), называемый также удельной прозрачностью атмосферы. Значение т' > 0,823 соответствует хорошей видимости, т' = 0,02 -s- 0,823 — дымке и т' < 0,02 — туману [4].
Так же как и водная среда, атмосфера ухудшает контраст передаваемого изображения, что является следствием ее рассеивающих свойств. При этом контраст крупных деталей объекта на входе телевизионного датчика оказывается равным (см. п. 10.1)
Кт ~ T+(w7p)(es/-1) ’ (11-13)
где К— действительный контраст объекта с фоном; w — коэффициент погоды, зависящий от высоты Солнца и других условий наблюдения; р — коэффициент отражения объекта или фона (большее значение).
Значения коэффициента погоды w приведены в табл. 11.2 и 11.3 [62]. При пасмурной погоде значение w не зависит от азимута и высоты Солнца и будет практически одинаковым днем, в сумерки при лунном свете и в темную ночь. В лунную безоблачную ночь значение w зависит от азимута и высоты Луны так же, как от азимута и высоты Солнца днем.
При определении входного контраста мелких деталей изображения объекта в формуле (11.13) необходимо учитывать ЧКХ атмосф еры.
249
Таблица 11.2
Азимут (01 вертикала Солнца). Высота Солнца, °
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Безоблачно, лето
0 8,18 6,33 4,70 3,24 2,25 1,65 1,25 0,96 0,75 0,62
20 5,51 4,47 3,54 2,57 1,86 1,40 1,08 0,83 0,68 0,58
40 2,82 2,55 2,15 1,66 1,24 1,00 0,80 0,65 0,55 0,46
60 1,73 1,58 1,28 1,00 0,82 0,70 0,57 0,48 0,41 0,35
80 1,25 1,09 0,83 0,70 0,58 0,50 0,43 0,35 0,30 0,29
100 1,01 0,80 0,66 0,56 0,48 0,44 0,37 0,33 0,30 0,27
120 0,96 0,75 0,57 0,52 0,46 0,43 0,32 0,30 0,29 0,26
140 0,98 0,78 0,58 0,53 0,47 0,42 0,32 0,29 0,28 0,26
160 1,01 0,82 0,62 0,55 0,49 0,43 0,33 0,29 0,28 0,26
180 1,04 0,87 0,67 0,59 0,52 0,44 0,34 0,29 0,28 0,26
Безоблачно, зима
0 7,41 5,04 3,95 2,85 2,57 2,25 1,87 1,43 — —
20 5,71 3,75 2,85 2,28 2,05 1,86 1,64 1,32 — —
40 3,43 2,09 1,62 1,40 1,35 1,32 1,25 1,11 —
60 1,55 1,16 1,08 0,95 0,99 1,00 0,95 0,90 — —
80 1,10 0,97 0,90 0,73 0,74 0,74 0,75 0,75 — —
100 1,00 0,85 0,75 0,69 0,70 0,70 0,70 0,70 — —
120 0,96 0,81 0,65 0,66 0,70 0,70 0,67 0,65 — —
140 1,08 0,75 0,66 0,68 0,70 0,70 0,67 0,65 — —
160 1,16 0,77 0,65 0,70 0,70 0,68 0,67 0,67 — —
180 1,23 0,81 0,65 0,71 0,71 0,69 0,68 0,68 — —
Туман, лето
0 4,98 7,56 6,20 4,40 3,10 2,31 1,63 1,15 0,85 0,65
20 2,90 4,57 4,21 3,13 2,28 1,85 1,40 1,04 0,72 0,50
40 1,98 2,75 2,59 1,77 1,40 1,17 1,00 0,78 0,55 0,40
60 1,34 1,70 1,38 0,91 0,75 0,74 0,60 0,51 0,43 0,32
80 1,01 1,21 0,90 0,61 0,52 0,51 0,45 0,40 0,31 0,25
100 0,85 0,92 0,61 0,47 0,48 0,50 0,31 0,25 0,22 0,21
120 0,85 0,75 0,60 0,49 0,40 0,41 0,32 0,25 0,22 0,20
140 0,96 0,73 0,62 0,50 0,41 0,39 0,32 0,25 0,22 0,20
160 1,00 0,75 0,65 0,51 0,41 0,39 0,32 0,25 0,22 0,20
180 1,02 0,79 0,68 0,52 0,41 0,39 0,32 0,25 0,22 0,20
Найденное по формуле (11.11) значение силы света источника искусственного освещения объекта I позволяет рассчитать необходимую мощность Р, подводимую к этому источнику. Если телесный угол, в котором излучается энергия, равен
и = 2л (1 - cos оср), (11.14)
то мощность излучения (световой поток) будет равна Ф = I&, лм.
250
Т а блица 11.3
Время суток Лето Зима
День 0,59 0,94
Сумерки 0,56 0,95
Лунная ночь 0,58 0,90
Безлунная ночь 0,61 0,97
Безоблачная ночь 0,85 1,02
Примечание, Данные (кроме безоблачной ночи) приведены для сплошной низкой облачности без прямого солнечного света
Телесный угол, в свою очередь, связан с требуемым для его обеспечения коэффициентом усиления оптической системы излучателя коп формулой
б) = 4л/*оп. (11.15)
Энергетический поток излучения рассчитывают по формуле [26]
Фе~ 683^7’ <1и6)
где к г = 2,43 • 10-2 — коэффициент полезного действия глаза для эталонного источника типа «А»; кэ, кр — коэффициенты использования приемником лучистого потока эталонного и рабочего источников излучения соответственно.
Указанные коэффициенты находят из выражения
оо
к=---------.
оо
О
Мощность, подводимая к источнику освещения, равна Р = Ф/а, где а — световая отдача источника излучения, лм/Вт.
Пример 1. Произвести энергетический расчет системы наблюдения за поверхностью океана в целях обнаружения нефтяных загрязнений в условиях хорошей видимости.
Исходные данные: освещенность фотопреобразователя, необходимая для обнаружения объекта, Ео ф = 1 лк; коэффициент пропускания оптической системы то = 0,9; коэффициент виньетирования к$ «1; угол поля зрения объектива 29О = 40°; относительное отверстие объектива D/f' = 0,5; высота полета носителя h = 5 км; коэффициент отражения от нефтяной пленки р0 = 0,04, от морской поверхности — рф = 0,02.
1. Находим коэффициент пропускания атмосферы, полагая, что т' = 0,85. Поскольку показатель ослабления при этом равен е = - In 0,85 = 0,16, то коэффициент пропускания по краю поля зрения составит т = ехр(- еЛ/cos 6О)= = 0,43.
251
2. По формуле (11.10) находим требуемую освещенность объекта (нефтяной пленки) на краю поля зрения объектива, т. е. при р = 0О =20°:
4(1 + И>2
" °%Iop0tseos*P(Z>//’>2
= 1330 лк.
3. Определим действительный контраст объекта с фоном
К = (Ро ~ Рф) / Ро " °’5-
4. Определим контраст изображения на входе фотопреобразователя с учетом рассеивающих свойств атмосферы
К
к =----------------------=О 06
“ l+(W/po)(e^e°-1)
При расчете коэффициент погоды принят равным w=0,26, что отвечает летнему безоблачному небу при азимуте 120 — 180° и высоте Солнца 50°.
Таким образом, контрастная чувствительность системы, необходимая для обнаружения нефтяной пленки, должна составлять ес = 1 / 0,06 = 17.
Пример 2. Провести энергетический расчет системы наблюдения за погрузочно-разгрузочными работами на товарной железнодорожной станции в ночное время.
Исходные данные: необходимая освещенность фотопреобразователя от объекта (контраст обратный) Ео ф=0,1 лк; среднее значение коэффициента отражения объектов ро = 0,3, фона — рф = 0,15; параметры объектива 20о = 30°, то = 0,92, D//'= 0,'3; максимальное расстояние до плоскости наблюдения h = 20 м; коэффициент погоды w = 0,97 (зимняя безлунная ночь); коэффициент пропускания атмосферы т' = 0,45 (легкая дымка); базовое расстояние между передающей камерой и наклонно расположенным источником света b = 2 м.
1. Определим угол наклона излучателя \|/ и угол а для объекта, расположенного на краю поля зрения объектива, т. е. при р = 0О:
г;/ = arctg (b/h) = 6°;
а = arctg —- - |°------=-« 15°.
b2+l>h tg 0о+й2
Угол раствора светового пучка с учетом 20%-ного запаса примем 2<хр = 36°.
2. Находим коэффициент пропускания атмосферы для расстояния I + /, = й/cos 0О + Л/cos (а + г;/) = 42,3 м: т = ехр [- е (/ + 4)] = 0,97, где с = -1пт' = 0,8.
3. Вычислим необходимую силу света источника освещения, обеспечивающую требуемую освещенность фотопреобразователя на краю поля зрения объектива:
, 4(W)![>/»(»rf = 890()
Ф TT0p0£pcos4 6ocos <x(Z>//')
252
При расчете принято V= 0 и кр = 1.
4. Определим световой поток, создаваемый источником освещения в телесном угле ®. Телесный угол находим по рассчитанному ранее значению плоского угла 2ар
® = 2п (1 - cos ар) = 0,314 ср.
Для данного угла требуемый коэффициент усиления оптической системы излучателя равен
к = 4л /ю = 40. оп '
Это значение коп может быть, например, обеспечено светильником с дисковой линзой при использовании в нем лампы накаливания (см. п. 11.5).
Искомый световой поток Ф=1® = 2840 лм. Лампу накаливания следует выбирать по световому потоку в телесном угле 4л: Ф' = Ф / коп= 71 лм.
5. Вьиислим контраст изображения на входе передающей камеры при действительном контрасте объекта с фоном К= (р0 - рф) / р0 = 0,5:
К
Кт =-------------------= 0,45,
l + (w/p0)(e -1)
т. е. уменьшения действительного контраста за счет рассеивающих свойств атмосферы практически не произойдет.
11.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
При импульсном экспонировании фотопреобразователя формулы (11.10) и(11.И) принимают соответствующий вид:
при естественном освещении и наличии затвора в передающей камере
я = йф-------
ф TTopkpCOS4 Р (£>//')
при подсветке объекта импульсным осветителем либо источником непрерывного излучения при наличии затвора в передающей камере
0 = Я 4(l + r)W
ф xxopkpCos4 pcos а(Л//')2 ’ (11.17)
где Я и Нф— экспозиции, сообщаемые объекту (фону) и фотопреобразователю соответственно за время экспонирования последнего; © — освечива-ние, создаваемое источником освещения объекта с силой света 1(0, 0= а, р — см. рис. 11.9 и 11.10.
о
На рис. 11.11, а — в приведены световременные характеристики идеализированного электрооптического затвора (а), импульсной лампы (б)
253
Рис. 11.11. Световременные характеристики электрооптического затвора (а), импульсной лампы (б) и импульсного лазера (е)
и импульсного лазера (в). Соответствующие им формулы для расчета освечи-вания: а - ® = Im ts; б- ® = 0,861т (и; в-® = 0,5/т t3.
Световая энергия, требуемая от источника импульсного излучения, W= ©го, лм • с, где о — телесный угол, вычисляемый по формуле (11.14). Следовательно, для импульсной лампы 0,86 Im tK&, для импульсного лазера — 0,5Imt3a. В энергетической системе излучаемую энергию
в соответствии с выражением (11.16) вычисляем по формулам:
w °МЛЙКЭ . w _ 0,5/т/эгокэ.
еи 683к к_ ’ ел 683к кп
г Р г Р
Приведем теперь методику энергетического и схемотехнического расчета излучающего устройства на импульсной лампе. В состав излучающего устройства входят лампа с отражателем, источник питания лампы, схема подачи импульсов напряжения на поджигающий электрод и схема управления частотой вспышек. Конструктивные 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 формуле (11.17) или максимальной силе света 1т в направлении излучения, частоте повторения вспышек Fn и длительности светового импульса, измеренного на уровне 0,35/т. Расчет рекомендуется проводить в следующем порядке.
1. Выбираем модель расположения источника освещения и объектива (см. рис. 11.9и 11.10). По углу р = 0о и другим геометрическим параметрам определяем плоский угол раствора светового пучка 2оср и соответствующий ему телесный угол ® [по формуле (11.14]).
2. С учетом длительности импульса и освечивания вспышки выбираем конструкцию лампы (шаровая ШИЛ или трубчатая ТИЛ) и ориентировочно ее тип. С этой целью можно воспользоваться табл. п. 3.1, составленной для распространенных типов импульсных ламп. При этом следует учитывать, что приводимое в таблице освечивание вспышки относится к сфере, т. е. телесному углу го = 4л.
254
3. Согласно формуле (11.15) определим коэффициент усиления оптической системы отражателя коп. С учетом конструкции лампы, значений 2оср и коп выбираем тип оптической системы. При этом можно руководствоваться графиками, изображенными на рис. 11.12 и 11.13 [51]. На рис. 11.13 под величиной d понимается отношение максимального размера светящегося тела Д к внутреннему диаметру светильника В2. Диаметр линзы или отражателя помимо прочего зависит от средней мощности Рор и системы охлаждения и должен удовлетворять условиям:
D2 > 0,06 (1g Др)2 — естественное охлаждение, где Д, м; Др, Вт;
Д > 0,03 (1g Др)2— воздушное охлаждение при скорости потока 500 км/ч.
Диаметр Д находим, исходя из значения d, определяемого по рис. 11.13 или на основании условий: для трубчатых ламп d = 0,1 4- 0,3, для шаровых — d< 0,1.
В общем случае при подводимой к им-
Рис. ПЛ 2. Диапазоны коэффициентов усиления и углов рассеяния стандартных оптических систем: 1 — дисковые линзы; 2 — прожекторы;
3 — цилиндрические линзы
пульсной лампе энергии до 150 Дж в качестве оптических усилителей рекомендуется применять цилиндрические линзы с диаметром от 60 до 250 мм и прожекторы диаметром от 200 мм [51].
4. С учетом длительно-
Рис. 11.13. Зависимость коэффициента усиления линз от относительного диаметра светящегося тела: I — цилиндрические линзы; 2 — дисковые линзы
сти импульса ориентире-вочно выбираем емкость накопительного конденсатора. При этом руководствуемся следующими соображениями. Для трубчатых ламп при длительности импульса ги > 300 мкс значение емкости должно удовлетворять условию С < 2tK /Rp, где Rp — сопротивление лампы во время разряда. Значение емкости следует выбирать с учетом диаметра колбы и расстояния между электродами [24].
Для трубчатых ламп при длительности импульса 100 мкс рекомендуется придерживаться со
255
отношения С a tK, а для шаровых ламп — Cat2, где tK, мкс; С, мкФ.
Следует отметить, что определенное влияние на значение tK оказывает помимо накопительной емкости напряжение питания и род газа, заполняющего колбу.
5. По справочным данным для выбранного типа лампы определяем ее световую отдачу
а = 4л9с / Wp, лм • с / Дж, где Wp — энергия, подводимая к лампе (энергия разряда).
6. С учетом равенства И^ = CU^a / 2 рассчитываем напряжение источника питания
С/о =720ffl/(ca)-
Значение £70 не должно превышать номинального рабочего напряжения Нрзб, рекомендуемого в справочных данных, а также допустимого напряжения, определяемого по кривой восстановления электрической прочности разрядного промежутка (кривая ВЭПП) после вспышки для заданной частоты вспышек (на рис. 11.14 периоду Т= 1 мс соответствует допустимое напряжение около 2 кВ). Вместе с тем значение Uo должно быть не менее предельного напряжения зажигания для выбранного типа лампы Ппр. Если полученное значение Uo не удовлетворяет перечисленным условиям, то следует несколько изменить емкость или выбрать другой тип лампы.
Для шаровых ламп после расчета напряжения Uo целесообразно проверить значение tK по эмпирической формуле
tK = 2^/с(702 /2 + 0,2,
где С, Ф; Uo, В; Ги, мкс.
При необходимости значения С и Uo должны быть уточнены.
7. Рассчитываем и проверяем на допустимое значение среднюю мощность, подводимую к лампе:
8. Из условия 1/Вп = ЗД, С определяем зарядное сопротивление
WAA
9. Выбираем схему питания лампы. Наиболее распространенной является простая схема заряда конденсатора С через резистор Д, (рис. 11.15, а). Кривую роста напряжения на конденсаторе после вспышки определим по формуле
Рис. 11.14. Относительное расположение кривой заряда конденсатора U3(t) и кривой
256
Рис. 11.15 Схемы питания импульсной лампы: а — простая схема заряда конденсатора С через резистор ; б — управляемая схема питания и поджога
(Д(О = (7о(1-е~</(*’с)).
Необходимо, чтобы все точки графика зависимости U3(f) лежали ниже кривой ВЭПП (см. рис. 11.14). Если оказывается, что на отдельных участках функция U3(t) лежит выше кривой ВЭПП, то рекомендуется увеличить сопротивление резистора Д. Следует, однако, иметь в виду, что при значительном увеличении этого сопротивления напряжение на конденсаторе к моменту вспышки может оказаться существенно уменьшенным по сравнению с напряжением источника питания Uo. В этом случае для сохранения прежнего значения напряжения на лампе необходимо применить другую схему питания, например, схему заряда конденсатора через дроссель или управляемую схему питания с использованием тиристора. В последнем случае управляющий импульс подается на тиристор КУ одновременно с поджигающим импульсом (см. рис. 11.15, б).
10. Выбираем и рассчитываем схему цепи поджига импульсной лампы. Эта схема должна обеспечивать необходимую энергию поджига и частоту вспышек лампы. В первом приближении можно принять энергию поджига, достаточную для ионизации газа, = 0,005 + 0,01 Дж. При этом верхний предел энергии следует брать в случаях, когда рабочее напряжение на лампе существенно меньше номинального.
Обычно подача импульсов на поджигающий электрод осуществляется через импульсный трансформатор (ИТ). Д ля управления импульсной лампой можно использовать тиратроны или тиристоры, однако, принимая во внимание малую длительность и относительно высокую скважность управляющих импульсов, их формирование удобнее осуществить с помощью
257
блокинг-генератора (см. рис. 11.15, б). В этом случае поджигающий электрод лампы непосредственно подсоединяется к выходной обмотке ИТ бло-кинг-генератора. При выборе транзистора для блокинг-генератора необходимо учитывать значение нагрузочного тока в импульсе
‘н=^/(ЦЛЛ
где Un— напряжение поджигающего импульса; тп — длительность поджигающего импульса, а также среднее значение нагрузочного тока
*н.ср=ч/а
где Q — скважность импульсов.
Транзистор должен обеспечивать среднее значение тока
г‘ср=(/н.ср+У«В/П>
где /д — ток в демпфирующей цепи (диод D, резистор Жд), шунтирующей выходную обмотку ИТ; nB = Un / UK~ коэффициент трансформации ИТ по выходной обмотке (здесь UK — импульсное напряжение на коллекторной обмотке), пв = 5 + 20; ц — КПД ИТ.
11. Определяем мощность, потребляемую от выпрямительного устройства: Рв = 2Рср.
12. Выбираем схему и определяем параметры выпрямительного устройства для питания импульсной лампы. При необходимости производим расчет питающего трансформатора.
Пример. Произвести энергетический расчет импульсного телевизионного дефектоскопа [19]. Исходные данные: длительность подсветки движущегося полотна /и = 300 мкс; частота экспонирования Fn = 0,6 Гц; параметры объектива — т0= 0,9, D/f - 0,18, 29О= 25°; расстояние от источника света до края поля зрения 1Х = 2,2 м (рис. 11.9); угол а для края поля зрения а = 20°; коэффициент отражения полотна рф = 0,3 (рф> р0); энергетическая чувствительность дефектоскопа соответствует экспозиции ЯФ.Ф = °>01 лк’с-
1. По формуле (11.17) находим требуемое максимальное освечивание, создаваемое импульсной лампой:
кд.с.
тторф^р cos pcosa(Z)//')
При расчете принято V= 0, = 1, т = 1.
2. Ориентируясь на приложение 3, выбираем трубчатую лампу типа ИСК-10, создающую освечивание вспышки в сфере 8 кд-с.
3. Определяем плоский угол раствора светового пучка с 50 % запасом: 2ар - 60°.
При этом телесный угол составит величину
го = 2л(1 - cos ap) = 0,88 ср.
4. Определяем коэффициент усиления оптической системы и выбираем ее тип кт = 4л / го = 14. Согласно рис. 11.12, наиболее подходящей оптической системой является прожектор. Если принять параметр d = 0,1, то при = = 25 мм получаем диаметр прожектора D2 = Dr / d = 250 мм.
258
5. Находим необходимую световую энергию вспышки
И^=9<й = 24лм-с.
6. Выбираем емкость накопительного конденсатора, исходя из соотношения
С^2ти//?р=750 мкФ.
С учетом длины I = 57 мм и диаметра разрядной трубки = 5 мм примем С= 125 мкФ [24, с. 166].
7. Определяем световую отдачу импульсной лампы
а = 4л9с / Wp = 10 лм • с / Дж.
8. Находим напряжение источника питания
и0 =7жТ(^) «200 В.
Полученное напряжение лежит в допустимых пределах Unp<, Uo< f7pa6. Поскольку частота вспышек лампы Fn = 0,7 Гц относительно мала, то электрическая прочность ее разрядного промежутка не будет превышена, что подтверждается кривой ВЭПП, приведенной в приложении 3 для лампы аналогичного типа.
9. Определяем среднюю мощность, подводимую клампе:
Р = СКА? / 2 = 1,8 Вт < Р, ср и п • 5 ср. доп
При такой мощности выбранный диаметр прожектора Л2 намного превышает минимально допустимое значение.
10. Находим зарядное сопротивление 7^= 1 /(ЗРПС) = 3800 Ом. При этом сопротивлении напряжение на лампе в процессе заряда конденсатора, как легко убедиться, будет всегда находится под кривой ВЭПП.
11. Мощность, потребляемая по цепи питания лампы: Рв = 2PCV = 3,6 Вт.
11.6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
Подводные телевизионные системы работают в условиях, характеризующихся сильным поглощающим и рассеивающим действием среды, что и определяет основную направленность их энергетического расчета. Системы строятся как с непрерывной, так и импульсной подсветкой объекта наблюдения, причем в последнем случае хорошей эффективностью обладают лазернотелевизионные системы с пространственным стробированием (см. рис. 10.15).
Первоначальная задача энергетического расчета системы подводного наблюдения заключи ется в нахождении силы света осветителя в зависимости от характеристик воды, энергетической чувствительности системы и взаимного положения передающей камеры, осветителя и объекта (рис. 11.9 и 11.10). Для импульсных систем соответственно необходимо найти осве-чивание вспышки, создаваемое лампой или лазером.
В общем случае искомую силу света определим из уравнения [35]
* cos4 pcos ’
259
Рис. 11.16. Зависимость функции For углового размера объекта
где — освещенность фотопреобразователя от объекта или фона; р — интегральный коэффициент отражения объекта или фона; и — показатель преломления воды, и = 1,33; у — коэффициент вертикального ослабления света в воде; F — функция, зависящая от относительного размера минимальной детали объекта.
Для нахождения функции F можно ориентировочно воспользоваться графиками, изображенными на рис. 11.16 и рассчитанными для параметра индикатрисы рассеяния а = 7 и широкого поля зрения объектива [22].
Угловой размер детали объекта 9Д предварительно находим из соотношения
9Д = arctg А//(21),
где А/ — линейный размер детали объекта.
Коэффициент у связан с гидрооптическими характеристиками воды соотношением
у = е(1 - ц8Л),
где е — показатель ослабления света в воде; ц — средний косинус индикатрисы рассеяния, рассчитанный по передней полусфере; 8 — параметр вьггянутости индикатрисы рассеяния; Л — вероятность выживания фотона.
Усредненные гидрооптические характеристики для четырех типов водных бассейнов приведены в табл. 11.4
Отметим, что параметры индикатрисы рассеяния ц и 8 приблизительно одинаковы для различных типов вод и равны ц = 0,96 и 8 = 0,98.
Для параллельного расположения центральных осей излучателя и объектива (рис. 11.9) формула (11.18) принимает вид
4^2n2eYA(seca+sec₽)
Ф Topfcpcos4 pcos3 a,(D/f')2F ’ (11.19)
для наклонного расположения излучателя (рис. 11.10)
4Л 2П2еyA[secP+sccfa+v)]
Ф Topfcp cos4 р cos a cos2 (a + y)(D/f')2 F (H-20)
260
Таблица 11.4
Характеристика Обозначение (формула) Бухта Прибрежный участок моря Открытое море Океан
Показатель поглощения, 1п/м к 0,15 0,12 0,105 0,036
Показатель рассеивания, 1п/м ст 1,35 0,48 0,245 0,054
Показатель ослабления, 1п/м 8 = К + СТ 1,5 0,6 0,35 0,09
Вероятность выживания фотона X = а / s 0,9 0,8 0,7 0,6
Прозрачность по белому диску, м Z6 3-5 8-12 15-20 30-50
При расчетах по формулам (11.19) и (11.20) угол а, каки ранее, следует выразить предварительно через угол [3 = 90.
Для систем с импульсным экспонированием фотопреобразователя расчет необходимого освечивания 9 проводится по формулам (11.19) и (11.20) с соответствующей заменой силы света I на освечивание 0 и освещенности на экспозицию Яф.
Второй задачей энергетического расчета подводных телевизионных систем является определение контраста изображения объекта с окружающим фоном на входе системы с учетом влияния рассеивающей дымки.
В случае, когда действительный контраст объекта с фоном равен К,
1 + EJEJ (1L21)
где Els — освещенность фотопреобразователя от рассеивающей дымки; £ф — освещенность фотопреобразователя от объекта или фона (большее значение).
Освещенность рассчитываем по формуле [35]
- АР-^b/c + Ч е“2^ - Р3 Л,.(-2уЛ) - Et I О п
(11.22)
где А = Wo^QWЛ2 р 3 + 5с3 + 2 = _ 2 + 2,2 2 +
(96tg2 90)п2 1 2
+ 6Ь с у)62 + (62у + 3bc)h — 62; Р3 = 6с2у +126 у2 с + 462у3; с — 290 + ф - 90ф2; Фо — параметр индикатрисы рассеяния, определяющий долю света, рассеянного в заднюю полусферу, ф0 а 0,02; Et~ интегральная показательная функция.
261
Рис. 11.17. Частотно-контрастные характеристики воды
При выводе выражения для коэффициента с тангенсы углов 0О и ц/ заменены значениями самих углов. Если b « h, а угол 20о > 30°, то вместо формулы (11.22) можно пользоваться более простым выражением
/cos3 4/-t0(D//')2 f . 2
-------- ------- Ле сро
4и
+ у'£,.(-у'и)
(11.23)
где и = е b ctg [(0О+ у) / 2]; у' = у / е.
Величина контраста, определяемая по формуле (11.21), относится к крупным деталям изображения. При оценке входного контраста мелких деталей можно воспользоваться частотно-контрастными характеристиками водной среды [22]. Для случая, когда в системе используется широкоугольный излучатель для подсветки объекта, ЧКХ воды Д8) приведена на рис. 11.17, на котором обозначены: 0 — пространственная частота, лин/мм; а — параметр индикатрисы рассеяния, а = 6 + 8. Результирующий контраст входного изображения
где определяется формулой (11.21).
Для систем с пространственным стробированием освещенность, создаваемую дымкой, можно определить из выражения
[-Сх(3<-2 + 6eby + 2у V) + (ЗЬс + Ь\)Ь1шях - Ьг]-V ' ’max
_ +6rfy +2у2^) + (3йс + й2у)/11п.п _й2]_
"min
(11.24)
262
где Л, Р3 — коэффициенты, входящие в уравнение (11.22); /гтах, И„-т — максимальное и минимальное расстояния, перекрываемые системой стробирования, соответственно.
Расстояние Amin определяется временной задержкой момента открытия затвора относительно посылки зондирующего импульса, Лтах вычисляют по формуле
h^=^ta+C'(tB+t3)/2, где ts — длительность экспонирующего фотопреобразователь светового импульса; (3 —- длительность затворного импульса; Сскорость света в воде. Для расчета контраста в системе с пространственным стробированием можно воспользоваться формулой (11.21), определив предварительно освещенность Е. по известной экспозиции и длительности импульса /э.
Пример 1. Провести энергетический расчет телевизионной системы, предназначенной для осмотра подводных объектов в прибрежном районе.
Исходные данные: освещение объекта непрерывное; освещенность фотопреобразователя от фона £’фф=0,02лк; коэффициент отражения фона рф= 0,25, причем рф> ро; минимальный контраст наблюдаемых объектов крупного размера К= 0,35; минимальный размер детали объекта Д/ = 0,1 м; расстояние h = 7 м, Ъ = 2 м; параметры оптической системы то = 0,9, Л/Г = 0,18,29О= 45°; расположение излучателя наклонное; коэффициент вертикального ослабления света в воде у = 0,12 м-1.
1. Определяем угол наклона излучателя ц/ и угол а для объекта, расположенного на краю поля зрения передающей камеры, т. е. при р = 60:
ц/ = arctg (b / h) = 16°; ос = Л2 tg 90 / (b2 + bh tg 9о + h2) = 19°.
2. Определяем угловой размер радиуса детали объекта, расположенного на краю поля зрения:
6д = arctg [Д//(2/)1 = 0,4°, где 1= h / cos 9О= 7,6 м.
Для относительной дальности ст/»2(ст = 0,3 мч) согласно рис. 11.17 ориентировочно находим 1g F = - 0,6, откуда F = 0,25.
3. По формуле (11.21) определяем силу света источника освещения
Z = Д. .----4>Vexp|Y*tsecO = „ т кд
Ф ^оРф^р00®4 6oC0S a cos2 (а+ y)(JD//')2f
4. Находим освещенность фотопреобразователя от рассеивающей дымки по формуле (11.22):
Е _ -2уЛ
2L/ у» I » Cz • с
д Р А3
-Р3 Et{-2yh)-Ei
= 0,033 лк,
где 3,95; />2 = - 225; Р3 = 1,6; с = 1,25; А = 0,27. Определяем контраст на входе системы
<х = = 0,08в,
1+^д/Дм,
263
где для относительной дальности о/=2, параметра а = 7 и пространственной частоты S = 1,5 лин/мм согласно рис. 11.17 ДЭ) = 0,65. Пространственную частоту найдем по формуле S = 9О / (29д/с), лин/мм, она соответствует угловому размеру детали объекта 29д = 0,8°, находящейся в горизонтальном угловом поле зрения оптической системы 29О = 45°, и длине строки фотопреобразователя 1С - 20 мм (трубка типа суперкремникон).
Таким образом, для обнаружения и опознания объекта система должна обладать контрастной чувствительностью ес = 1 / 0,086 = 11,6.
5. Определение светового потока, создаваемого источником освещения в телесном угле га, и выбор оптической системы светильника проводим так же как и для атмосф ерных систем.
Пример 2. Провести энергетический расчет телевизионной системы наблюдения за морским дном, работающей с применением пространственного стробирования.
Исходные данные: требуемая экспозиция от фона на входе фотопреобразователя (суперкремникон, сочлененный с ЭОП) Яфф = 5 • 19~6лк-с; контрастная чувствительность системы ес = 19; коэффициент отражения морского дна рф = 9,2 (рф> р0); параметры оптической системы то = 0,9, D/f = 0,33, 290 = 30°; минимальный контраст объектов крупного размера К= 0,3; длительность импульсов и максимальная мощность излучения лазера ta = 2 • 10'8 с, Фетах = 1,8 МВт; максимальное расстояние от батисферы до дна Лтах = 19,5 м; угол раствора излучателя, расположенного наклонно, 2ар » 29О; база b = 2 м.
1. Находим коэффициент вертикального ослабления света в воде. Для открытого моря (табл. 11.3)
у =е(1-ц8Л) = 0,12 м-1.
2. Для заданной максимальной дальности наблюдения при условии t3 - ta находим расстояние Amin:
Л , = - C'(t + О/2 = 15 м.
mm max ' э з''
3. Определяем угол наклона излучателя
U' = arctg(ft//zmax)=6°.
4. По аналогии с формулой (11.21) при условии а» р, поскольку' « hmax, и F= 1 находим требуемое освечивание вспышки на краю поля зрения
и 4^ax«2exp(y/zmax[seca + sec(a + v)]}
- п ф. ф I S 9 9 — 1 зи кд • С.
^0Рф^₽с°8 «cos (a + \|/)(Z)//')
5. Находим необходимую мощность излучения лазера
Л 0,5/тгак. ,
Ф, =---------- = 1,5 МВт,
683кгкр
где телесный угол © = 2л(1 - cos ap) = 9,214 ср; сила света на краю поля зрения /т = 20//э=1,3 • 1910кд; кэ = 1,75 • 10~2 (для источника типа «А»
264
и многощелочного фотокатода); Кр »1 (для излучателя с Лл=0,53 мкм и многощелочно- лк
го фотокатода).
Необходимая мощность излучения лазе- 400
ра Фе не превосходит максимально допустимого значения Фетах. 300
6. По формуле (11.24) находим освещен- 2(Ю
ность, создаваемую рассеивающей дымкой.
Для этого предварительно определяем необ- 100
ходимые коэффициенты и значения показательной функции:
о 2 4 ь, м
96tg* 2 * * * * 7 8 9 9ол2
Рис. 11.18. Зависимость освещен-
ности фотопреобразователя от рассеивающей дымки от базы Ь
с=20о+\|/ - 0 о\|?=0,62;
Р3 = 6<?у + ПЬ^с + 4ft2y3 = 0,52;
^’(-2yA)=-0,001635;
£/(-2уй.) = -0,006160. ' • min7 ’
В результате получаем Ерт = 155 лк
7. Определяем освещенность фотопреобразователя от фона
Е. =2Н. /t =500 лк. ф т ф' э
8. Определяем входной контраст с учетом влияния рассеивающей дымки
Полученное значение входного контраста удовлетворяет требованию контрастной чувствительности телевизионной системы.
9. В заключение приведем зависимость освещенности Е от базы Ь, рассчитанную согласно формуле (11.24) на ЭВМ (рис. 11.18). Из графика следует, что при увеличении базы до 4 м можно дополнительно снизить влияние рассеивающей дымки на входной контраст.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры и характеристики видиконов и матриц ПЗС Таблица П 1.1. Параметры видиконов и суперкремниконов
Тип видикона Диаметр колбы, мм Материал мишени Размеры мишени, мм Рабочая освещенность, лк Разрешающая способность в цяп-ре, твл Тек сигнала, мкА Остаточный сигнал, % Тип огклоне- НИЯ и фокусиров-
через 40 мс через 200 мс
ЛИ421-3 26,0 Sb2S3 9,5x12,7 1,0 600 0,10 40 15 м, м
ЛИ426 26,0 Sb2S3 9,5x12,7 1,0 600 0,10 45 — м, э
ЛИ428 26,0 Sb2S3 9,5x12,7 1,0 500 0,10 50 — э, э
ЛИ438 26,0 Si 9,5x12,7 2,0 600 0,20 50 15 м, м
ЛИ440 26,0 sb2s3 9,5x12,7 0,5 600 0,10 40 — м, м
ЛИ446 26,0 Si 9,5x12,7 0,2 600 0,10 10 — м, м
ЛИ449-1 26,0 CdSe 9,5x12,7 0,5 600 0,30 8 1,0 м, м
ЛИ451-1 26,0 CdSe 9,5x12,7 0,5 600 0,16 20 3 м, м
ЛИ452-1 26,0 Sb2S3 11,3x11,3 5,0 600 0,10 45 15 м, э
ЛИ453 13,5 Sb2S3 4,9x6,5 2,0 500 0,07 40 — м, э
ЛИ459 13,5 CdSe 4,9x6,5 1,0 500 0,10 20 10 м, э
ЛИ465 13,5 CdSe 4,9x6,5 1,0 450 0,08 18 5 э, э
ЛИ468 18,0 CdSe 6,6x8,8 0,5 550 0,10 10 1 м, м
ЛИ469 26,0 Si 9,5x12,7 0,25 600 0,10 40 10 м, м
ЛИ475 18,0 sb2s3 6,6x8,8 2,0 550 0,10 32 12 м, э
ЛИ501 18,0 CdSe 6,6x8,8 0,5 600 0,15 12 — Д, м
ЛИ705 26(78") Si 15x20 5,0-1СГ3 550 0,35 10 — м, м
ЛИ706 26(52") Si 9,5x12,7 ю-2 600 0,30 10 — м, м
ЛИ708 26(78") Si 17,5x17,5 5,0-10“3 600 0,45 8 — м, м
Примечание. Светосигнальные и спектральные характеристики некоторых типов видиконов приведены на рис. П 1.1 — П 1.3.
** М — магнитное; Э — электростатическое; Д — дефлектронное.
Диаметр секции переноса.
Рис. П 1.1. Светосигнальные характеристики видиконов ЛИ421 (/); ЛИ426 (2); ЛИ466 (5); ЛИ468 (4); ЛИ465 (5)
266
Рис. П 1.2. Светосигнальные характеристики видикона ЛИ475 при напряжении па сигнальной пластине 35 В (1);
45 В (2); 60 В (7)
Рис. П 1.3. Спектральные характеристики видиконов ЛИ421 — 3 (7); ЛИ438 (2); ЛИ440 (5); ЛИ446 (4); ЛИ452 и ЛИ453 (5);
ЛИ468 (б)
Таблица П 1.2. Параметры матриц ПЗС
Параметр ФПЗСЗМ ФПЗС4М 1200ЦМ7 1200ЦМ15 ФППЗР24 ФППЗР25 ФППЗР31
Число фоточув-ствительных элементов в секции накопления (по вертикали и горизонтали), шт. 144/256 288/512 288/360 288/442 290/760 290/790 290/768
Размер секции накопления (по вертикали и горизонтали), мм 4,3x5,9 б,9x9,2 5,2x6,8 4,6x6,2 9,2x12,7 6,6x8,8 4,9x6,6
Размеры фо-точувегвителыюго элемента (по вертикали и горизонтали), мкм 30x23 24x18 18x18 16x14 34x17 22x11 18x9
Вольтовая чувствительность, не менее. мВ/лк 30 40 10 30 100 80 60
267
Продол, табл П 1.2
Параметр ФПЗСЗМ ФПЗС4М 1200ЦМ7 1200ЦМ15 ФППЗР24 ФППЗР25 ФППЗР31
Максимальная освещенность при времени кадра 20 мс, не менее, лк 4 2 5 2 — —
Максимальное напряжение выходного сигнала, не менее, мВ 120 100 100 200 500 500 300
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметры кинескопов черно-белого изображения
Таблица П 2.1
Тип трубки Угол отклонения луча по диагонали, ° Разрешающая способность, твл Контраст крупных деталей Яркость экрана, кд/м2 Ток анода, не более, мкА Напряжение запирания, В Напряжение модуляции, не более, В Примечание
23ЛК9Б 90 600 100 : 1 120 150 25 + 10 15 —
23ЛК41 55 625 — 90 50 40-90 30 Цвет свечения экрана желто-зеленый, фокусировка — электро-магнитная
31ЛКЗБ ПО 600 150 : 1 150 300 30-60 35 Кинескоп 31ЛК4Б при тех же параметрах имеет угол отклонения 90°
40ЛК5Б ПО 1000 150: 1 100 150 30-70 25 Используется в телевизионных системах с высоким разрешением
43ЛК11Б 50ЛК1Б по по 600 600 100: 1 150: 1 100 150 250 350 30-80 40-77 32 36 —
61ЛК2Б по При токе анода 50 мкА — 1000; при токе анода 175 мкА — 600 150:1 150 350 40-77 44 -
268
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Параметры, спектральные характеристики и кривые ВЭПП импульсных ламп
Таблица П 3.1. Параметры импульсных ламп
Тип лампы Р , Вт Ср. ЛИИ ?, мкс ж F.c1 а Ж, Дж вс , вд с R, Ом р £Г,КВ и , кВ яр и, кВ 3 мм
ИСП-15 8 15 15 15 100 100 0,07 0,15 0,03 0,07 35,0 35,0 0,8 0,8 0,6 0,6 12 12 35
ИСП-50 10 13 100 0,1 0,1 2,0 0,4 0,3 9 30
ИСП-70 18 25 100 0,18 0,17 100 1,2 0,9 18 70
ИСК-10 10 10 200 25 1 200 10 0,05 8,0 0,008 0,8 0,8 0,3 0,3 0,18 0,18 10 10 25
ИСК -20-1 9 8 100 0,01 0,07 1,5 0.3 - 18 20
ИСК-25 25 30 150 6000 1,0 0,05 25 600 60,0 1200,0 0,4 0,4 0,3 0,3 0,25 0,25 15 15 20
ИФК-20 2 200 0,1 20 25,0 0,2 0,13 0,1 5 14
ИФК -50 5 400 0,1 50 100,0 0,3 0,2 0,14 5 24
ИФК-75 37 150 0,5 75 180,0 0,6 1,5 0,5 15 50
ИФК-120 12 1000 0,1 120 250,0 0,8 0,3 0,18 10 30
ИФК-150 225 1000 1,3 150 450,0 2,0 1,0 0,5 25 30
ИФК-500 30 8000 0,07 500 1000 4,0 0,5 0,4 15 45
ИФК-2000 130 ИЗ 4000 100 0,07 0,8 2000 150 6000 450 0,45 0,45 0,5 0,7 0,25 0,25 20 20 70
ИСШ-5 18 0,6 1.0 1,0 100 3 0,18 0,2 0,045 0,05 - 1,2 1.9 1,2 1,2 5 5 4,0
ИСШ-15 15 1 1,5 15,0 500 0,1 0,03 10,0 0,006 5,0 - 0,45 1,0 0,25 0,25 6 6 4,0
ИСШ-100-2 100 5 1,3 15,0 500 ОД 0,22 50,0 0,2 50,0 - 3,0 3,0 0,8 0,8 6 6 3,0
ИС1П-100-5 62 1,5 250 0,25 0,25 - 2,6 2,2 4 3,0
ИСШ-300 300 10 2,0 15 400 0,1 0,75 100,0 0,6 50,0 - 6,3 6,0 5,5 5,5 25 25 6,5
ИСШ-500 500 10 6,0 25,0 100 0,75 5,0 160,0 6,0 100 - 9,0 7,0 5,0 5,0 25 25 8,0
Примечание. Некоторые характеристики импульсных ламп и кривые ВЭПП приведены на рис. П3.1 — П3.2.
269
Рис. П 3.1. Спектральные характеристики трубчатой (/) и шаровой (2) импульсных ламп и источника типа «Л» (3)
%
а)
в)
Рис. П 3.2. Кривые ВЭПП: а — шаровая лампа ИСШ-100-2 (0,12 Дж); б — трубчатая лампа ИСК-25 (0,045 Дж); в — капиллярная (трубчатая) лампа ИСП-70 (0,088 Дж); г — шаровая лампа ИСШ-15 (0,03 Дж) (верхние кривые соответствуют 100-й вероятности пробоя)
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адаптация зрения 13, 20
Анализ изображения электрооптический 36
Анаглиф 170
Аналого-цифровой преобразователь 123
Апертура развертывающая 40
Базис глазной 169
Видеозапись магнитная 176
Видеокамера 181
Видеоконтрольное устройство 8, 85
Видеомагнитофон 179
Видеосигнал 7, 40
Видеотелефон 201
Видеотракг 92
Видеоусилитель 92
Видикон 54
Восприятие изображения зрительное 12
Восстановление постоянной составляющей видеосигнала 107
Гамма-корректор 95, 111
Генератор развертки кадровой 132
---строчной 140
---цифроаналоговый 147
Головка магнитная 177
Градация яркости 31
Градиент воспроизведения полутонов 28
Дальномер стереоскопический 173
Датчик телевизионный 7
Детальность изображения 188
Дефлектрон 59
Диапазон яркостей динамический 26, 32
Дискретизация видеосигнала 119
Диссектор 47
Закон Вебера—Фехнера 15, 20
— Тальбота 17, 89
Зашумленность изображения 18
Импульс выравнивающий 151
— гасящий 150
— синхронизирующий 150
— тактовый 126, 153
Инерционность видикона 58
Инерция зрения 16
Искажения изображения апертурные 41
---геометрические 45
---координатные 45
---нелинейные 45
Хадр телевизионный 36
Камера передающая 92, 161
Квантование видеосигнала 119
Квантоскоп 172
Кинескоп 85, 166
Кодирование видеосигнала 119
Контраст изображения 14, 32
— пороговый 16, 20
— сигналов 232
Коррекция апертурная 112
— градационной характеристики 109
— противошумовая простая 101
— противошумовая сложная 101
— частотных искажений входной цепи 104
Коэффициент контрастности 27, 33
— погоды 192, 249
— шума 93
Кремникон 60
Кривая видности глаза 156
Критерий качества изображения интегральный 9, 210
— информационный 9
Кроссовер 86
Литокон 181
Локус 158
Люминофор 81
Маска кинескопа 167
Мира оптическая 24
Мишень передающей трубки 55, 60, 62, 66
Мощность разрывная 143
Насыщенность излучения 156
Неэффективность переноса зарядов 73
Оконтуривание изображения 114
Ореол 90
Острота зрения 13, 30
Отношение сигнал/шум пороговое 29, 31
Ощущение яркости зрительное 15
Параллакс линейный 173
Перенос изображения 64
Пировидикон 66
Пластика 169
Плюмбикон 61
Полоса частот видеосигнала 44
Полярность видеосигнала 58
Преобразователь «напряжение—код» 123
— «код—напряжение» 129
Прибор с зарядовой связью 68
Принцип накопления зарядов 48
Проксикон 65
Развертка изображения 5, 36
— «бегущий луч» 36, 204
— кадровая 37, 43
— линейная 37
— построчная 36
271
— синусоидальная 38
— спиральная 38
— строчная 43
— чересстрочная 36
— шаговая 39
Разложение изображения 37
Разрешающая способность глаза 13,30 ---системы 28
Растр телевизионный 36
Регистр сдвиговый 69
Резкость изображения 24
Рельеф потенциальный 56
Реставрация изображений 121
Секон 64
Сигнал изображения 40, 150
- остаточный 58
— полный телевизионный 150
— синхронизации 151
Синхрогеиератор 150
Система телевизионная автоматическая?, 152 ---замкнутая 6 ---измерительная 6 ---импульсная 207 ---малокадровая 201 ---наблюдательная (информационная, об-
зорная) 6
---подводная 193
---спектрозональная 205
---фототелевизионная 204
---цифровая 121
Сопротивление шумовое 98
Составляющая видеосигнала постоянная 41
Спектр видеосигнала 42
Стробоскоп телевизионный 206
Супервидикон 63
Суперкремникон 64
Счетчик двоичный 154
Телевидение голографическое 172
— космическое 199
— объемное (стереоскопическое) 169
— прикладное 6
— промышленное 183
— цветное 156
Телевизионная линия 23
Ток темновой 57
Тон цветовой 156
Треугольник цветовой 157
Трииикон 164
Трииитрон 168
Трубка запоминающая 175, 181
— передающая 47
Уровни видеосигнала 41
Устройства памяти 175
Фокон 79
Формат изображения 44
— оптический матрицы ПЗС 71
Фотопреобразователь твердотельный 67
Функция передачи модуляции 25
Характеристика амплитудная 92, 94
- амплитудно-частотная 92, 105
— апертурная 59, 112
— градационная 25
— модуляционная 18, 87
— переходная 23
— пространственно-частотная 22
— светосигнальная 52, 57, 62, 74
— спектральная 73, 82, 89
— частотно-контрастная 24, 86
Хромотрон 168
Частота мерцаний 33
— смены кадров 34, 202
— строк 43
Четкость изображения 29
Число градаций яркости 32
— строк разложения 38
— элементов разложения 119
Чувствительность глаза контрастная 16, 12, 27
— системы контрастная 34
--- световая 35
--- энергетическая 34
Шумы передающих трубок класса видикон 64
— приборов с зарядовой связью 74
Экран кинескопа 88, 166
Элемент развертывающий 40
Эффект пульсации—адаптации 41
Яркость адаптации 21
— изображения средняя 89 , 229
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акимов В. Н-, Титов Н. И. Формирование токов для отклоняющих систем ЭЛТ // Техника кино и телевидения. — 1973.— №1.— С. 60 — 62.
2. Антипин М. В. Интегральная оценка качества телевизионного изображения. — М.: Наука, 1970. - 154 с.
3. А. с. СССР № 1235002. Телевизионное устройство для контроля движении транспортных средств /В. В. Мельник, В. В. Смирнов, И. И. Коноводченко и др. — Опубл. БИ № 20, 1986.
4. Бабенко В. С. Оптика телевизионных устройств. — М.: Радио и связь, 1982. — 257 с.
5. Барсуков Ф. И., Величкин А И., Сухарев А Д. Телевизионные системы летательных аппаратов. — М.: Сов. радио, 1979. — 255 с.
6. Баскир И. Н. Бесгрансформаторные транзисторные схемы кадровой развертки. — М.: Радио и связь, 1983. — 62 с.
7. Батраков А С., Легуновский А. В. Телевизионные системы. — М.: Изд-во МО СССР, 1986. - 376 с.
8. Березин В. В. Формирование сигналов изображения в условиях вибраций // Изв. ТЭТУ (СПб гос. электротехнический ун-т). — 1993. — Выл. 459. — С. 34 — 37.
9. Богомолов П. А., Сидоров В. И., Усольцев И. Ф. Приемные устройства ИК-систем. — М.: Радио и связь, 1987. — 208 с.
10. Брацлавец П. Ф-, Росселевич И. А, Хромов Л. И. Космическое телевидение. — М.: Связь, 1973. — 248 с.
11. Бриллиантов Д. П. О возможностях создания портативного приемника цветного ТВ // Техника кино и телевидения. — 1976. — № 10. — С. 53.
12. Быков Р. Е., Сигалов В. М., Эйссенгардт Г. А Телевидение. — М.: Высш, пк, 1988. - 248 с.
13. Вершинский Н. В. Подводное телевидение. — М.; Л: Госэнергоиздат, 1960. — 224 с.
14. Гарб М. Г. Синхронизация в телевидении. —М.: Радио и связь, 198Z — 192 с.
15. Гершберг А Е., Вишневский Г. И. Многосигнальные видиконы. — Л.: Энергоатом-издат, 1983. — 144 с.
16. Гитис Э. И., Пискулов Е. А Аналого-цифровые преобразователи. —М.: Энергоиз-дат, 1981. — 360 с.
17. Грошев Г. М., Косилов Р. А, Попков В. М. Применение устройств промышленного телевидения и видеозаписи на станциях. — М.: Транспорт, 1986. — 48 с.
18. Грязин Г. Н. Импульсные телевизионные датчики. — М.: Связь, 1980. — 102 с.
19. Грязин Г. Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения. — Л.: Машиностроение, 1988. - 224 с.
20. Грязин Г. Н. Телевизионная система для регистрации номерных знаков транспортных средств Ц Техника кино и телевидения. — 1992.— № 7. — С. 53 — 57.
21. Грязин Г. Н. О работе приборов с зарядовой связью в режиме импульсного экспонирования Ц Изв. ВУЗов. Приборостроение. — 1979- — № 10.— С. 62 — 65.
22. Долин Л. С., Левин И. М. Справочник по теории подводного видения. — Л.: Гидро-метеоиздат, 1991. —229 с.
23. Ефимов А С. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении ТВ-изображения // Техника кино и телевидения. — 1977. — № 2 — С 45 —48.
24. Импульсные источники света/Под ред. И. С. М а р ш а к а. — М.: Энергия, 1978. - 472 с.
273
25. Инженерно-психологические требования к системам управления. — М.: ВНИИТЭ, 1967. - 263 с.
26. Ишанин Г. Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. — Л.: Машиностроение, 1986. — 175 с.
27. Казанцев Г. Д., Курячий М. И., Пустынский И. Н. Измерительное телевидение. — М.: Высш. шк. 1994. - 288 с.
28. Катаев С. И., Уваров Н. Е. Преобразование напряжения в ток для ЭЛТ // Техника кино и телевидения. — 1974. — № 3. — С. 55 — 57.
29. Квиринг Г. Ю. Прикладное телевидение. — М.: Моск, ин-т связи, 1989. - 88 с.
30. Клебанский Р. Б. Преобразователи кода в напряжение. — М.: Энергия, 1973. — 104 с.
31. Костыков Ю. В. Основы проектирования систем и аппаратуры прикладного телевидения. — М.; Л.: Энергия, 1964. - 256 с.
32. Красильников Н. Н. Помехоустойчивость телевизионных систем. — М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1961. —267 с.
33. Кринов Е. Л. Спектральная отражательная способность природных образований. - М.: Изд-во АН СССР, 1947. - 27*1 с.
34. Курков И. Н., Миленин Н. К. Высокочувствительные преобразователи свет—сигнал и камеры ЦТ // Техника кино и телевидения. — 1984. — № 5. — С. 59.
35. Левин И. М. Методика расчета систем освещения для подводного телевидения //Техника средств связи. Сер. «Техникателевидения». — 1978. — Вып. 4. — С. 99 — 105.
36. Луизов А. В. Глаз и свет. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 140 с.
37. Малахов И. К. Пироэлектрический видикон // Техника кино и телевидения. — 1980. -№ 10. - С. 60-66.
38. Метод расчета сигнала и шума суперкремникона в телевизионной системе /В. В. А п-реликов, В. Н. Короленко, Л. С. Ксенофонтов и д р.//Техника средств связи. Сер. «Техника телевидения». — 1978.- — Выл. 5. — С. 43 — 51.
39. Миленин Н. К. Шумы в формирователях сигналов изображения на ПЗС //Техника кино и телевидения. — 1980. — № 6. — С. 51 — 57.
40. Однолько В. В., Ожигин А. Ф., Харитонов Ю. А. Портативные камеры цветного телевидения. — М.: Радио и связь, 1984. — 104 с.
41. Орловский Е. Л. Передача факсимильных изображений. — М.: Связь, 1980. — 215 с.
42. Петраков А. В. Автоматические телевизионные комплексы для регистрации быстро-протекающих процессов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 152 с.
43. Полоник В. С. Телевизионные автоматические устройства. — М.; Связь, 1974.—216 с.
44. Пресс Ф. П. Фоточувсгвительные приборы с зарядовой связью. — М.. Радио и связь, 1991. — 264 с.
45. Преобразователи напряжения на приборах с зарядовой связью / Р. Е. Быков, АА Манцветов, Н. Н. Степанов, Г. А Эйссенгардт. — М.: Радио и связь, 1992. -184 с.
46. Приборы с зарядовой связью / Под ред. М. X о у в з а, Д. М о р г а н а; Пер. с англ. — М.: ЭнергоиздаТ, 1981. — 376 с.
47. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника / Пер. с чешского; Под. ред. АС. Виленчика. — М.: Радио и связь, 1990. — 528 с.
48. Рыфтин Я. А Телевизионная система (теория). — М.: Сов. радио, 1967. — 271 с.
49. Самойлов В. Ф., Хромой Б. П. Телевидение. - М.: Связь, 1975. — 400 с.
50. Саттаров Д. К. Волоконная оптика. — Л.: Машиностроение, 1973. — 280 с.
51. Сенилов Г, Н. Светотехнические импульсные установки. — М.: Энергия, 1979. -192 с.
274
52. Системы технического зрения / Под. ред. АН. Писаревского, А Ф. Черня в с к о г о. — Л.: Машиностроение, 1988. — 424 с.
53. Твердотельное телевидение / Л. И. Хромов, Н. В. Лебедев, А К. Ц ы к у -лин, АН. Куликов. — М.: Радио и связь, 1986. — 184 с.
54. Телевидение / Под ред. В. Е. Д ж а к о и и и. — М.: Радио и связь, 1997,— 639 с.
55. Травникова Н. П. Эффективность визуального поиска. — М: Машиностроение, 1985. — 128 с.
56. Урвалов В. А Очерки истории телевидения. - М.: Наука, 1990,- 216 с.
57. Цифровое кодирование телевизионных изображений / Под. ред. И. И. Цукермана,— М.: Радио и связь, 1981. — 239 с.
58. Цырлин Л. Э., Бенштедт Б. Э, К расчету люкс-амперных характеристик и динамического диапазона видикона // Электронная техника. — Сер. 4. — 1975. - Выл. 4. — С. 3 - 9,
59. Чирков Л. Е., Фридлянд И. В., Бриллиантов Д. П. Новые устройства телевизионной развертки. — М.: Радио и связь, 1984. —216 с.
60. Шайкевич Д. В. Расчет отношения сигнал/шум в телевизионных камерах на ПЗС при заданных характеристиках источника излучения // Техника средств связи. Сер. «Техника телевидения». — 1984. — Выл. 4. — С. 88 — 94.
61. Шапиро А. С., БыковаТ. П. Твердотельные устройства записи ТВ-программ и перспективы их использования // Техника кино и телевидения. — 1989. — № 7. — С. 69 -73.
62. Шаронов В. В. Таблицы дая расчета природной освещенности и видимости. — М.: Изд-во АН СССР, 1945.
63. Яковлев С. Б., Скляр В. А. Сусов В. С. Микросхемы в генераторах телевизионной развертки. — М.: Радио и связь, 1985. — 88 с.
64. Суриков И. Н. Современные передающие приборы видимого и ближнего ИК-диа-пазонов // Сб. науч. тр. ТЭТУ. — СПб.: 1995. — Выл. 478. — С. 87 - 98.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................................................... 3
Введение..................................................................... 5
Глава 1. Характеристики и параметры телевизионных систем.................... 12
1.1. Психофизиологические параметры зрительной информации..... —
1.2. Расчет контрастной чувствительности зрения в реальных условиях телевизионного наблюдения................................... 19
1.3. Пространственно-частотная, частотно-контрастная и переходная характеристики телевизионной системы....................... 22
1.4. Градационная характеристика телевизионной системы......... 25
1.5. Разрешающая способность системы и выбор числа строк разложения ......................................................... 28
1.6. Количество градаций яркости воспроизводимого изображения. 31
1.7. Выбор частоты смены кадров и яркости телевизионного изображения ....................................................... 33
1.8. Энергетическая и контрастная чувствительности телевизионной системы...................................................... 34
Глава 2. Развертка изображения и образование видеосигнала................... 36
2.1. Законы и способы осуществления развертки изображения....... —
2.2. Форма и частотный спектр видеосигнала..................... 40
2.3. Координатные искажения изображения........................ 45
Глава 3. Телевизионные фотоэлектрические преобразователи ................... 47
3.1. Диссектор.................................................. —
3.2. Принцип накопления энергии в передающих трубках и модель электронного накопителя........................................ 48
3.3. Видикон, кремникон и плюмбикон............................ 54
3.4. Супервидиконы............................................. 63
3.5. Пировидикон............................................... 66
3.6. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи........... 67
3.7. Сочлененные фотопреобразователи........................... 79
Глава 4. Кинескопы черно-белого изображения................................. 85
4.1. Фокусировка и отклонение электронного луча................. —
4.2. Модуляционная и частотно-контрастная характеристики кинескопа ......................................................... 87
4.3. Характеристики экранов.................................... 88
4.4. Проекционные кинескопы.................................... 91
Глава 5. Усиление и аналоговая обработка видеосигнала....................... 92
5.1. Состав и требования к видеоусилительному тракту............ —
5.2. Анализ исходных данных и эскизный расчет видеотракта ..... 93
5.3. Отношение сигнал/шум на выходе видеотракта с прямоугольной АЧХ и выбор нагрузочного сопротивления передающей трубки...... 96
5.4. Отношение сигнал/шум иа выходе видеотракта с оптимальной АЧХ.......................................................... 103
5.5. Корректоры частотных искажений входной цепи усилителя.... 104
5.6. Восстановители постоянной составляющей сигнала........... 107
5.7. Корректоры амплитудной характеристики видеотракта.........109
5.8. Апертурная коррекция и выделение контуров изображения....112
5.9. Особенности построения видеотракта в системах с матрицами ПЗС........................................................... 115
276
Глава 6. Цифровая обработка видеосигнала...................................
6.1. Цифровое представление изображения.......................
6.2. Принципы построения телевизионных систем с цифровой обработкой сигнала..............................................
6.3. Преобразователи «напряжение—код».........................
6.4. Преобразователи «код—напряжение».........................
Глава 7. Развертывающие и синхронизирующие устройства......................
7.1. Генераторы кадровой и строчной развертки для видеоконтрольных устройств ................................................
7.2. Генераторы разверток с преобразователями «напряжение—ток» для телевизионных датчиков .......................................
7.3. Особенности построения цифроаналоговых развертывающих устройств .......................................................
7.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения..............
7.5. Синхронизирующие устройства..............................
Глава 8. Основы цветного и стереоскопического телевидения........................ 8.1. Цветовое зрение и смешение цветов ....................................
8.2, Формирование сигналов в передающих камерах цветного телевидения ........................................................
8.3. Принципы построения передающих камер цветного телевидения ........................................................
8.4. Устройство цветных кинескопов............................
8.5. Основы стереоскопического телевидения....................
8.6. Телевизионный стереоскопический дальномер................
Глава 9. Устройства памяти в телевизионных системах........................... 9.1. Полупроводниковые устройства памяти...................................
9.2. Устройства магнитной видеозаписи.........................
9.3. Литокон .................................................
Глава 10. Телевизионные системы для обзора пространства....................
10.1. Промышленные телевизионные установки....................
10.2, Системы подводного телевидения..........................
10.3. Телевизионные системы летательных аппаратов.............
10.4. Телевизионные системы для наблюдения за быстродаижущи-мися объектами и быстр опротекающими процессами...............
Глава 11. Расчет режима функционирования телевизионной системы.............
11.1. Основные положения......................................
11.2. Расчет энергетической и контрастной чувствительностей телевизионной системы визуального типа..............................
11.3. Расчет энергетической и контрастной чувствительностей автоматической телевизионной системы................................
11.4. Энергетический расчет системы при наблюдении в атмосфере ....
11.5. Энергетический расчет импульсной телевизионной системы..
11.6. Энергетический расчет системы подводного наблюдения.....
Приложение 1. Параметры и характеристики видиконов и матриц ПЗС............
Приложение 2. Параметры кинескопов черно-белого изображения................
Приложение 3. Параметры, спектральные характеристики и кривые ВЭПП импульсных ламп..............................................................
Предметный указатель ......................................................
Список литературы .........................................................
118
121
123
129
132
144
147
149
156
159
162
166
169
173
175
176
181
183
193
199
206
225
226
239
244
253
259
266
268
269
271
273
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Грязин Геннадий Николаевич
СИСТЕМЫ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Редактор Л. М. Манучарян
Переплет художника М.Л.Черненко Художественный редактор М.Л.Черененко Технический редактор Т. М. Жилич Корректоры 3. С. Романова, Н. В. Соловьева, Т. Н. Гринчук
ЛР№ 010292 от 18.08.98
Сдано в набор 20.11.98. Подписано в печать 20.10.99.
Форматиздания бОхЭО1/^. Бумага офсетная. ГарнитураTenseC.
Печать офсетная. Усл. печ л. 17,5. Усл. кр.-отг. 17,5. Уч.-изд. л. 16.31.
Тираж 1000 экз. Зак. 352 Государственное предприятие «Издательство "Политехника"», 191011, Санкт-Петербург, Инженерная ул.» 6
Отпечатано с готовых диапозитивов в типографии им. П. Ф. Анохина.
185005, г. Петрозаводск, ул Правды, 4