Введение к работе
Актуальность темы. Недостатком большинства телевизионных систем, широко используемых в науке, технике и др. областях, является их неспособность осуществлять наблюдение в сложных условиях видимости (отсутствие необходимой освещённости, туман, дождь, снегопад, пыль, дым и т.п.). Одно из ведущих мест среди различных систем наблюдения в сложных условиях видимости занимают активно-импульсные ТВ системы (АИ ТВС), под которыми в данной работе подразумеваются ТВ системы с импульсным подсветом и задержкой стробирования. Такие системы позволяют регистрировать визуальные характеристики только нужного объекта наблюдения (ОН) благодаря селекции изображения по дальности в пределах очень узкой глубины просматриваемого пространства.
Наиболее важные характеристики АИ ТВС, такие как дальность действия, требуемая мощность подсвета и др., в значительной мере определяются параметрами устройств получения видеосигнала, обычно включающих в себя фотоприёмник (в его состав, в основном, входят усилитель яркости изображения -электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и телевизионный датчик (ТВД), преобразующий световое изображение на экране усилителя яркости в электрический сигнал (видеосигнал)), источник подсвета и некоторые вспомогательные блоки.
Получение видеосигнала связано и со средой распространения оптического излучения. Поэтому в работе рассмотрен широкий круг вопросов системного характера, касающихся построения АИ ТВС в целом.
Несмотря на то, что импульсный метод наблюдения был предложен академиком А.А. Лебедевым ещё в 1936 г., ощутимого прогресса в развитии активно-импульсных приборов удалость достичь только сравнительно недавно. В настоящее время интенсивно ведутся разработки образцов АИ ТВС, а также их теоретические и экспериментальные исследования. Основное внимание уделяется способам повышения дальности действия систем и связанной с ней чувствительности фотоприёмника, которая, в основном, определяется шумовыми характеристиками ЭОП. В работах, посвященных поиску методов уменьшения шумов ЭОП, считается, что на величину шума заметно влияет коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ) первого соударения первичных электронов со стенкой канала микроканальной пластины (МКП), входящей в состав ЭОП 2-го и выше поколений. Однако это утверждение требует экспериментальной проверки. Существуют также попытки теоретически описать зависимость коэффициента усиления тока МКП, но приводимые формулы не учитывают ряд важных факторов.
Кроме этого, встречаются разногласия по поводу различных аспектов согласования ЭОП с телевизионным датчиком. В сравнительно недорогих приборах согласование осуществляется с помощью различных волоконно-оптических деталей (ВОД) либо согласующих объективов. Чёткого обоснования применения того или иного вида согласующей оптики (СО) в литературе не приводится.
Методы расчёта дальности действия АИ ТВС в силу своей специфики редко встречаются в литературе и носят весьма формализованный, описатель-
нътхарактер. В книге авторов ИЛ. Гейхманаи В.Г. Волкова «Основы улучшения видимости в сложных условиях» 1999 г. как критерий используется разрешающая способность, а в книге авторов В.Е. Карасика и В.М. Орлова «Лазерные системы видения» 2001 г. - пороговое отношение сигнал/шум. При этом такая наглядная и свойственная глазу наблюдателя характеристика, как контраст, в литературе рассмотрена недостаточно.
Приводимые обзоры (см., напр., обзоры В.Г. Волкова) содержат основные характеристики активно-импульсных телевизионных систем, однако сопоставить их не представляется возможным из-за отсутствия обобщенного показателя сравнения систем по совокупности параметров, связанных с энергией излучения, принимаемого и регистрируемого фотоприёмником, например, по энергетической эффективности, под которой в данном случае понимается рациональное, эффективное использование энергии, излучаемой источником подсвета и регистрируемой фотоприёмником.
Что касается теории построения отдельных блоков АИ ТВС, то устройствам синхронизации АИ ТВС, обеспечивающим заданные задержки между импульсами подсвета и стробирования, не уделяется должного внимания. В частности, детально не рассмотрены варианты построения устройств при необходимости реализации удалённого управления режимами. Кроме этого, имеется потенциальная возможность минимизации габаритов источников подсвета и генераторов высоковольтных импульсов стробирования путём проектирования электронных схем управления на современных элементах, имеющих, как правило, малые размеры и выполненных в корпусах для поверхностного монтажа. В литературе встречаются схемы таких источников, но из-за большой сложности они зачастую имеют внушительные размеры.
Таким образом, приведённая выше цепь рассуждений и фактов определяет актуальность данного исследования.
Целью работы является научное обоснование технических решений по совершенствованию АИ ТВС и входящих в их состав устройств получения видеосигнала, направленному на увеличение дальности действия АИ ТВС при минимизации их габаритов и энергопотребления.
Поставленная цель определила следующие основные задачи исследования:
-
Сформулировать показатель, позволяющий сравнивать различные системы по совокупности параметров, связанных с энергией излучения, принимаемого и регистрируемого фотоприёмником.
-
Разработать методику расчёта контраста наблюдаемого в АИ ТВС объекта в зависимости от его положения по дальности.
-
Разработать методику расчёта дальности действия АИ ТВС на основе порогового контраста изображения и определения оптимальной глубины зоны выделения.
-
Установить аналитическую взаимосвязь коэффициента преобразования ЭОП и его конструктивных и электрических параметров с учётом различных глубин влёта первичных электронов в микроканал, а также с учётом эффектов насыщения.
-
Оценить шумовые характеристики АИ ТВС.
6. Выработать рекомендации по построению отдельных устройств АИ ТВС и реализовать некоторые из них на практике.
Для решения поставленных задач были использованы экспериментальные и теоретические методы исследования, заключающиеся в получении определённых характеристик АИ ТВС расчётным путём и последующем сравнении полученных данных с результатами натурных испытаний. В частности, среди теоретических методов исследования применялись: численные методы расчётов, теория вероятности, математическая статистика и математическое моделирование.
Научной новизной обладают следующие основные результаты работы:
-
Предложено оригинальное выражение для показателя энергетической эффективности телевизионных систем, позволяющее сравнивать различные системы по совокупности характеристик.
-
Разработана новая методика расчёта контраста наблюдаемого в АИ ТВС объекта в зависимости от его положения по дальности, позволяющая определить дальность действия системы по критерию порогового контраста, а также выбрать оптимальную глубину зоны выделения.
-
Впервые предложен способ реализации режима «сплошного» просмотра, позволяющий видеть одновременно всю дистанцию наблюдения, «очищая» её от помехи обратного рассеяния.
-
Получены новые соотношения для расчёта коэффициента усиления тока в микроканальной пластине, учитывающие различие коэффициента вторичной эмиссии первой стадии умножения и последующих, факт влёта электронов в микроканал на разную глубину до первого соударения с его стенками, влияние ускоряющего поля на максимальную глубину влёта.
-
Предложен новый способ ускоренного расчёта распределения электрического поля в микроканале при точечном изменении распределения заряда, позволяющий сократить количество операций при моделировании на ЭВМ процессов насыщения М КП.
-
Впервые предложен и детально описан способ построения разнесённого устройства синхронизации, позволяющий улучшить временные характеристики импульсов подсвета и стробирования при необходимости расположения органов управления устройством синхронизации на значительном удалении от остальных блоков АИ ТВС, затрудняющем передачу высокочастотных импульсов запуска по соединительному кабелю.
Практическая значимость. Разработанные в диссертационной работе новые положения проектирования АИ ТВС и их устройств получения видеосигнала позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новьж и модернизации существующих образцов, повысить качественные результаты разработок, существенно сократить объем экспериментальных исследований, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Результаты экспериментальных исследований АИ ТВС, приведенные в работе, представляют практический интерес при проектировании новьж и модернизации существующих систем наблюдения, позволяют уточнить представление о протекающих процессах возникновения шума, сопутствующих процессам усиления изобра-
жения. Вместе с тем, материалы по выводу основополагающих формул, приводимые в теоретических главах, могут быть использованы в учебном процессе. На защиту выносятся следующие положения:
-
Предложенный показатель энергетической эффективности телевизионных систем позволяет сравнивать различные системы по совокупности параметров, связанных с энергией излучения, принимаемого и регистрируемого фотоприёмником.
-
Разработанная модель распространения излучения сквозь замутнённую среду и его регистрации АИ ТВС позволяет рассчитывать характеристики наблюдаемого в АИ ТВС изображения, такие как яркость и контраст.
-
Оптимальное значение глубины зоны выделения, полученное на основе предложенной методики численного расчёта контраста АИ ТВС, обеспечивает максимальную дальность действия.
-
Предложенный способ реализации режима «сплошного» просмотра путём вариации числа импульсов подсвета за время накопления и вычитания в каждом кадре постоянной фоновой компоненты гарантирует наблюдение объектов всей дистанции в одном кадре без ухудшения контраста.
-
Полученные формулы расчёта коэффициента усиления тока в микроканальной пластине, учитывающие различие коэффициента вторичной эмиссии первой стадии умножения и последующих, факт влёта электронов в микроканал на разную глубину до первого соударения с его стенками и влияние ускоряющего поля на максимальную глубину влёта, позволяют достичь более точный аналитический результат и сократить количество операций ЭВМ в 10 раз и более.
-
Предложенный метод ускоренного расчёта распределения электрического поля в микроканале при точечном изменении распределения заряда сокращает до 50% количество операций при моделировании на ЭВМ процессов насыщения МКП.
-
Предложенный способ построения разнесённого устройства синхронизации позволяет улучшить временные характеристики импульсов подсвета и стро-бирования при необходимости расположения органов управления устройством синхронизации на значительном удалении от остальных блоков АИ ТВС, затрудняющем передачу высокочастотных импульсов запуска по соединительному кабелю.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректностью применения математического аппарата при получении аналитических соотношений, а также метрологически обоснованными экспериментальными исследованиями, результаты которых согласуются с полученными в работе аналитическими выражениями и экспериментальными исследованиями других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях: Международные конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», 2002-2003 гг. (г. Санкт-Петербург); Международные научно-практические конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», 2002 г. (г. Кемерово), 2003 г. (г. Улан-Удэ), 2004 г. (г. Новосибирск); Всероссийская научно-техническая кон-
ференция «Современное телевидение», 2005 г. (г. Москва); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», 2003 г. (г. Томск); Всероссийская конференция «Научная сессия МИФИ», 2003 г. (г. Москва); Межрегиональные научно-технические конференции «Научная сессия ТУ СУР», 2002-2003 гг. (г. Томск). Получен грант по конкурсу научных разработок Томской области в 2003 г.
Внедрение и использование результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены при реализации АИ ТВС «ZOND» и «Обзор», а также использованы в учебном процессе, о чём имеются акты внедрения.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ общим объёмом 57 страниц, из них 3 статьи в центральной печати, 8 работ написано совместно с другими авторами. Сделано 12 докладов на конференциях различного уровня.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертационной работе результаты получены лично автором либо при его непосредственном участии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 158 страницах текста, содержит 47 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 129 наименований и приложения на 58 страницах
