Авторизация
Авторизируйтесь
X
  • Логин*
  • Пароль *
или зарегистрируйтесь
Регистрация
X
  • Логин
    (3-15 символов)*
  • Пароль
    (6-15 символов)
    *
  • Подтвердите пароль *
Сообщение администратору
X
 
>>

Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения

Насибуллин Рустем Апасович

Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург - 2006

Диссертация | 2006 | Россия | docx/pdf | 5.37 Мб

Для доступа к источнику авторизируйтесь или зарегистрируйтесь.

Внимание! Все источники запакованы в zip архивы! Для распаковки на android-устройствах Вы можете воспользоваться одним из сторонних приложений, например Total Commander



Специальность 05.11.07 -
"Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"
В связи с развитием микроэлектронной промышленности и технологий изготовления оптических материалов, производство высокоразвитых стран претерпевает бурный рост номенклатуры тепловизионных приборов (ТВП) различного назначения. Возможность, «видеть» инфракрасное излучение (ИК), которую даёт тепловизионная техника, открывает перед пользователем огромные возможности в различных отраслях деятельности человечества. Тепловизоры, находят применение в дефектоскопии, медицине, диагностике энергосетей, разведке и т.д.
Основу тепловизоров составляют приёмники чувствительные к ИК- излучению. Они преобразуют энергию теплового излучения тел в электрический сигнал. Отечественная и иностранная промышленность выпускает различные приёмники, отличающиеся принципом работы и типом фоточувствительного материала. На сегодняшний день уже практически достигнут теоретически возможный предел чувствительности приёмников излучения. Кроме того, современный уровень развития микроэлектронной промышленности позволяет создавать не только единичные чувствительные элементы в одном приёмнике, но и в виде линеек и матриц чувствительных элементов в одном фотоприёмном устройстве. Такая интеграция позволила упростить схемы механического сканирования, необходимого для получения изображения, и даже полностью отказаться от неё.
Наметившаяся тенденция увеличения числа приёмников излучения с многоэлементной матрицей чувствительных элементов позволяет предположить полный отказ от использования механических сканирующих устройств в тепловизорах. С появлением матричных приёмников «смотрящего» типа, некоторые специалисты оптико-электронного приборостроения прогнозируют невостребованность сканирующих тепловизионных систем. Основными аргументами в пользу отказа от сканирующих устройств является более низкая надёжность тепловизионных приборов на их основе, большие
габариты, значительное потребление электроэнергии, более низкая температурная чувствительность.
Таким образом, основной задачей производства тепловизоров становится оптимизация, которая должна позволить достичь предельно возможных характеристик тепловизионного изображения и снизить цену приборов.
Тем не менее, даже достижение теоретически возможного предела качества изображения, получаемого современными тепловизорами с многоэлементными фотоприёмными устройствами (МФПУ) 3-го поколения, в ряде случаев оказывается недостаточным для практических целей. В этом отношении некоторые преимущества перед ТВП 3-го поколения остаются за тепловизорами 2-го поколения, основу которых составляют субматричные фотоприёмные устройства (СФПУ)[1].
Как известно в ТВП 2-го поколения получение кадра изображения происходит сканированием поля зрения фотоприёмным устройством с линейкой чувствительных элементов [1]. При этом основным отличием от тепловизоров 1-го поколения, при формировании изображения, является возможность реализации режима временной задержки и накопления (ВЗН). Это, например, позволяет значительно уменьшить влияние растровой структуры МФПУ, получить более широкое поле зрения. Геометрический шум в СФГГУ меньше чем в МФПУ смотрящего типа. Для СФПУ требуется более простой объектив, чем для МФПУ при условии обеспечения одинаковых показателей эффективности тепловизора, возможно получение большего пространственного разрешения, что обеспечивает большую дальность действия тепловизионных приборов. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что сканирующие тепловизоры останутся востребованными в некоторых областях деятельности человека, и в своей нише они будут превосходить по эффективности тепловизоры смотрящего типа.
При проектировании тепловизоров 2-го поколения, одной из основных проблем является формирование механической развёртки с высокой равномерностью скорости движения изображения в плоскости чувствительного
элемента (ЧЭ) СФПУ [3]. Такую механическую развёртку должна обеспечивать электромеханическая система сканирования. Несмотря на то что работы по созданию системы сканирования у нас в стране ведутся уже несколько лет, до сих пор не получены удовлетворительные во всех отношениях результаты.
Система сканирования, состоящая из сканера и блока управления сканера должна удовлетворять множеству требований предъявляемой тепловизионной камерой. Одним из главных требований, как было сказано выше, является обеспечение высокой равномерности скорости поворота сканирующего зеркала (СЗ) закреплённого на оси сканера.
Известно множество сканирующих устройств непрерывного вращения [4]-[6], однако практически все они имеют малое КПД сканирования, либо значительное виньетирование, либо большие габариты. То есть, классические сканирующие устройства непрерывного вращения имеют, существенные недостатки, и уже не могут обеспечить высоких требований, предъявляемых к тепловизионному прибору 2-го поколения. Единственной альтернативой, позволяющей достичь максимальных характеристик ТВП, является сканирующее устройство ограниченного вращения или сканер. В этом случае сканер реализует колебательное движение СЗ с частотой десятки герц. До недавнего времени задача колебания СЗ с такой частотой и амплитудой несколько градусов оставалась неразрешимой, не говоря уже о формировании при этом участка с высокой равномерностью скорости поворота СЗ.
В России, в разное время, различные организации пытались создать сканирующие устройства ограниченного вращения. Эта эпопея длится уже как минимум два десятилетия. На сегодняшний день, в нашей стране, вопросами создания сканеров различного назначения занимаются несколько организаций. Из них половина, а именно только 3 предприятия, ведущие работы в направлении применения сканеров в ТВП, достигли некоторых практических результатов.
В городе Бердск, «Электромеханический завод» изготавливает сканеры на базе моментного двигателя с вращающейся рамкой (обмоткой). Сканеры,
изготовленные в Бердске, реализуют низкодинамичный двунаправленный (или «треугольный») закон сканирования [8].
ФГУП НПО ГИПО (г. Казань) также разрабатывает сканеры ограниченного вращения на базе двигателя с мостовой магнитной схемой. Сканер, изготовленный в ГИПО, так же не отличается высокой динамикой движения, и используются для реализации двунаправленного закона сканирования.
И, наконец, в ЗАО «НПФ «ОПТООЙЛ» (г. Казань), при участии автора диссертации, спроектированы и изготовлены сканеры, отличающиеся высокой динамикой [7]. Сканеры выполнены на базе моментного двигателя с гладким ротором и ротором-магнитом, и позволяют получить как однонаправленный закон сканирования, так и двунаправленный[8].
Тем не менее, созданные сканирующие устройства ещё не в полной мере удовлетворяют всем требованиям предъявляемых к тепловизионной системе. Влияние неидеальности параметров движения СЗ сканера на формируемое тепловизионное изображение ещё недостаточно изучено, поэтому создание сканирующего устройства и его исследование является актуальной задачей.
Целью данной работы является создание сканирующего устройства ТВП 2-го поколения и исследование влияния параметров движения сканирующего зеркала на параметры эффективности ТВП 2-го поколения.
Для достижения поставленной цели был поставлен и решён ряд задач:
1. Анализ и выявление параметров движения СЗ в ограниченном угле влияющих на формируемое тепловизионное изображение.
2. Разработка математической модели высокодинамичного сканирующего устройства. Исследование и оценка параметров эффективности ТВП 2-го поколения в зависимости от погрешности реализации закона сканирования.
3. Сравнение однонаправленного и двунаправленного законов сканирования при реализации режима ВЗН. 
4. Анализ конструкции макета сканирующего устройства ограниченного вращения, разработка рекомендаций для конструирования экспериментального образца.
5. Создание экспериментального образца сканирующего устройства и разработка методики измерения характеристик сканера и параметров сканирующего движения.
6. Разработка методики и программ расчёта габаритов сканера и закона управления сканером оптимального с позиций энергопотребления и быстродействия. Разработка методики и программ оценки влияния характеристик сканера и качества сканирования на эффективность тепловизоров 2-го поколения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель сканирующего устройства ТВП 2-го поколения и параметров движения СЗ.
2. Разработана методика оценки влияния параметров сканирующего движения зеркала на основные параметры эффективности ТВП.
3. Предложено и исследовано три варианта реализации режима ВЗН.
4. Проведено сравнение степени влияния однонаправленного и двунаправленного законов сканирования на формируемое изображение.
5. Предложен и запатентован способ уменьшения люфта ротора сканера, что позволяет улучшить показатели эффективности тепловизора.
Методы исследования
Для анализа влияния параметров движения СЗ на характеристики формируемого изображения использовался математический аппарат теории линейной фильтрации. Расчёт закона управления сканером, который был представлен линейной математической моделью, производился с использованием дифференциального исчисления и элементов элементарной алгебры. 
Практическая ценность
1. Разработаны методики и алгоритмы расчёта габаритов сканера, оптимального закона управления сканером, оценки параметров эффективности тепловизора в зависимости от характеристик сканера и параметров движения сканирующего зеркала. Создан пакет программ реализующих эти алгоритмы.
2. Сформулированы требования к конструкции сканирующего устройства и системе управления для применения в составе ТВП 2-го поколения.
3. Разработан и изготовлен экспериментальный образец сканирующего устройства. Сканирующее устройство испытано и эксплуатируется в составе тепловизора.
4. Разработаны методики измерения характеристик сканера, параметров движения сканирующего зеркала и проведены измерения.
5. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при проектировании сканирующих устройств, анализе влияния характеристик сканера на параметры эффективности ТВП 2-го поколения.
Защищаемые положения
1. Требуемая динамика колебания СЗ для реализации однонаправленного закона сканирования обеспечивается сканером на базе моментного двигателя с гладким статором, оптического инкрементального датчика углового положения, радиально действующего прижима ротора и комбинированной системой управления сканером.
2. Расчёт габаритов сканера и программного управляющего напряжения сканера обеспечивается с высокой точностью на основе разработанной методики расчёта и реализованной в виде пакета прикладных программ.
3. Адекватность математической модели сканирующего устройства экспериментальному образцу, что позволяет рассчитывать и прогнозировать с малой погрешностью ожидаемую эффективность 
реализации режима ВЗН и параметров эффективности ТВП 2-го поколения на этапе конструирования тепловизоров.
4. При однонаправленном режиме сканирования влияние погрешности характеристик сканера и параметров движения СЗ на параметры эффективности тепловизоров значительно меньше, чем при двунаправленном сканировании, поэтому при выборе направления разработки сканирующего ТВП 2-го поколения предпочтительнее использовать однонаправленный режим сканирования.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на конференциях и симпозиумах:
- Лазеры для медицины, биологии и экологии. -СПб: СПбГПУ, 2005
- XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУИТМО,
2005.
XIX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. ГНЦ РФ, ФГУП НПО «ОРИОН», 2006.
- Сканирующее устройство ограниченного вращения в составе тепловизора было испытано в ФГУП НПО «ОРИОН». Сканер обеспечивает получение устойчивого изображения с удовлетворительным качеством.
Личный вклад автора
Все основные результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии. В частности, автором предложено и исследовано три варианта синхронизации работы сканера и СФПУ. Проведено сравнение однонаправленного и двунаправленного законов сканирования. Предложен способ уменьшения люфта ротора сканера в подшипниках и т.д. 
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ: 2 статьи, получен патент на изобретение, 5 тезисов докладов по материалам конференции.
В качестве информационной базы исследования, использованы данные из учебников по проектированию оптикоэлектронных приборов, теории систем автоматического управления, журнальных статей о сканерах, фотоприёмных устройствах и ТВП, информация от производителей.
Толчком к выполнению данной работы послужила необходимость создания ТВП 2-го поколения на базе сканирующего устройства ограниченного вращения. Необходимость и целесообразность разработки сканирующих тепловизоров обоснована Алеевым Р.М. (д.т.н., специалиста в области оптикоэлектронного приборостроения) в его печатных трудах [9], [10].
Огромную помощь в анализе, выборе привода сканера и алгоритма управления сканером, оказал д.т.н., профессор Афанасьев А.Ю. (Казанский государственный технический университет им. Туполева). Так же была использована информация из его книг по проектированию электродвигателей [11]-[14]. В качестве основы анализа формирования сигнала на ЧЭ СФПУ использована информация, изложенная в работах Тришенкова М.А. [1], Мирошникова М.М. [15]. И в диссертационной работе Солякова В.Н. [16]. Статический и динамический анализ конструкции сканера проводился в соответствии с методиками, изложенными в работе Маслова Г.С. [17]. Информация о преобразователях углового положения используемых в сканерах получена от производителей и из работы Л.Н. Преснухина [18]. Методика расчёта параметров эффективности ТВП с учётом реальных параметров сканирования основана на выводах сделанных в работе Дж. Ллойда [4]. Информация о вариантах управления сканером получена из работ по теории автоматического управления, в частности из работы классиков автоматики В.А. Бесекерского, Е.П.Попова [19]и Р.Дрофа и Р.Бишопа[20].
Несмотря на то, что идея получения изображения сканированием линейки ФПУ предложена давно, до сих пор не существует подробных методик синтеза
сканирующих устройств ограниченного вращения для тепловизоров 2-го поколения. Так же не имеется подробной информации касающейся анализа влияния характеристик сканера и параметров движения СЗ на характеристики ТВП. Некоторую разрозненную информацию на этот счёт можно найти, например, в работах [4],[15].
В этой работе подробно показано, какие характеристики сканера и параметры движения СЗ, влияют на эффективность ТВП. Показано, как они проявляются на полученном изображении. Характеристики сканера представлены через передаточные функции, что позволяет разработчикам тепловизионной аппаратуры оценить степень влияния системы сканирования на параметры эффективности ТВП. Получен патент на изобретение «Способ уменьшения люфта ротора сканирующего устройства», что позволяет уменьшить возмущения привносимые сканером в канал формирования тепловизионного изображения. Также предложено три варианта синхронизации работы сканера и выборок сигналов в СФПУ.
В работе сформулированы требования к вновь разрабатываемому сканирующему устройству обеспечивающие минимизацию возмущений привносимых сканером в канал формирования изображения.
Значимость работы, по мнению автора, в том она позволяет разработчикам ТВП аппаратуры и сканирующих устройств в частности, вести разработку новой техники используя на практике данные и выводы, касающиеся проектирования сканирующих устройств. Простота и доступность изложенного материала позволяет воспользоваться представленной информацией широкому кругу специалистов, не обладающих специальными теоретическими знаниями. Акценты смещены в область практического применения описанных в работе методик, с достаточной для практической разработки приборов детализацией.
Предложено три варианта синхронизации работы сканера и выборок СФПУ, что даёт разработчикам большую свободу в проектировании сканирующего устройства и ТВП в целом. 
Сканирующее устройство было изготовлено и испытано в составе ТВП выполненного по заказу ФГУП НПО «ОРИОН» г. Москва. Несмотря на выявленные недостатки у сканера и блока управления, устройство обеспечивает удовлетворительное качество изображения. Недостатки, имеющиеся у сканера, выявлены, и определена мера влияния конструктивных особенностей сканера на характеристики движения СЗ.

Содержание

Введение 4
1. Сканирующие устройства тепловизоров 14
1.1. Сканирующие устройства тепловизоров 1-го поколения 14
1.1.1 .Сканирующие устройства на основе вращения с разнонаклонными гранями 15
1.1.2. Сканирующие устройства с разделением
сканирования по строке и кадру 19
1.1.3. Сканирующие устройства на основе
преломления оптического потока 20
1.2. Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения 22
1.2.1. Сканирующие устройства фирмы
Camdrige Technology (США) 27
1.2.2. Отечественные сканирующие устройства 28
1.3. Анализ и обобщение существующих технических решений
сканирующих устройств тепловизоров второго поколения. 32
2. Разработка и обоснование требований к сканирующим устройствам
тепловизоров Н-го поколения 36
2.1. Коэффициент полезного действия и закон сканирования 38
2.2. Повторяемость закона и равномерность сканирования
на рабочем участке 40
2.3. Однонаправленный и двунаправленный законы сканирования 59
2.4. Оценка влияния характеристик сканирующего устройства
на параметры эффективности тепловизора второго поколения 68
2.5. Составляющие параметров сканирующего движения 73
3. Разработка и исследование технических решений
сканирующего устройства 82
3.1. Состав и структура сканирующего устройства
84
з
3.2.1. Анализ конструкции сканирующего устройства в статике 91
3.2.2. Анализ конструкции сканирующих устройств в динамике 98
3.3. Система управления сканирующим устройством 104
3.3.1. Устойчивость системы управления
сканирующим устройством. 107
3.3.2. Расчёт закона управления сканирующим устройством и
программное обеспечение 110
3.4. Синтез сканирующего устройства 114
4. Разработка методики и исследование экспериментального образца сканирующего устройства 122
4.1. Измерение характеристик сканера 123
4.2. Измерение и оценка реального закона сканирования 128
4.3. Расчётная оценка параметров эффективности тепловизора по
результатам измерений характеристик сканера 132
Заключение 144
Библиографический список используемой литературы 146
Приложение 1 151
Приложение 2 154
Приложение 3 156
Приложение 4 157

Диссертация | 2006 | Россия | docx/pdf | 5.37 Мб

Для доступа к источнику авторизируйтесь или зарегистрируйтесь.

Внимание! Все источники запакованы в zip архивы! Для распаковки на android-устройствах Вы можете воспользоваться одним из сторонних приложений, например Total Commander



Сканирующие устройства тепловизоров второго поколения

релевантные научные источники:

Другие источники по дисциплине Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы:

  1. Методы и средства контроля характеристик тепловизионных приборов и систем
    Бугаенко Адольф Георгиевич | Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Казань - 2005 | Диссертация | 2005 | Россия | docx/pdf | 12.62 Мб
- Авиационная и ракетно-космическая техника - Автоматизация и управление - Безопасность деятельности человека - Библиотековедение, библиографоведение и книговедение - Биотехнология пищевых продуктов - Гидравлика и инженерная гидрология - Документалистика, документоведение, архивоведение - Инженерная геометрия и компьютерная графика - Информатика, вычислительная техника и управление - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ - Материаловедение - Машиностроение и машиноведение - Методы и системы защиты информации, информационная безопасность - Метрология, информационно-измерительные приборы - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы - Приборы и методы контроля природной среды - Проектная деятельность - Процессы и аппараты пищевых производств - Процессы и машины агроинженерных систем - Процессы и машины обработки материалов резанием - Радиотехника и связь - Системный анализ, управление и обработка информации - Системы, сети и устройства телекоммуникаций - Стандартизация и управление качеством продукции - Тепловые двигатели - Технологии и машины обработки давлением - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки - Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств - Технология неорганических веществ - Технология продовольственных продуктов - Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов - Транспортное, горное и строительное машиностроение - Управление в социальных и экономических системах (технические науки) - Электротехника -