Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи

Поліпшення параметрів піровідиконних тепловізійних камер шляхом вдосконалення вузлів та режимів сканування

Гой Віталій Миколайович

Львів 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Грицьків Зенон Дмитрович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри радіоелектронних пристроїв та систем

Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Кожем'яко Володимир Прокопович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри лазерної і оптоелектронної техніки

доктор технічних наук, професор Мельник Анатолій Олексійович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри електронно-обчислювальних машин

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра оптичних і оптоелектронних приладів

Захист відбудеться “ 30 ” квітня 2002 р. о “ 1400 ” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.10 Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “ 18 ” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Романишин Ю.М.

1. Загальна характеристика роботи

піровідикон тепловізійна камера растр

Актуальність теми. Важливе місце серед прикладних телевізійних систем займають тепловізійні системи (ТС) - системи формування зображень об'єктів спостереження в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні. ТС знаходять широке застосування в різних галузях науки і техніки, зокрема для задач термографії, спостереження в умовах обмеженої видимості, контролю енергетичних об'єктів та теплових втрат, неруйнівного контролю, медичної діагностики тощо.

На сьогодні в ТС переважно використовуються багатоелементні фотонні (ФП) та теплові (ТП) приймачі ІЧ випромінення. Кардинальною перевагою ТП, порівняно з ФП, є відсутність примусового охолодження та можливість роботи в широкому спектральному діапазоні, зокрема і в далекому ІЧ піддіапазоні (8-14 мкм), використання якого є ефективним при спостереженні об'єктів з температурою, близькою до температури навколишнього середовища. ТП звичайно виготовляють у вигляді гібридних структур, що складаються з матриці теплових приймачів (переважно мікроболометричних чи піроелектричних) і зчитуючої ПЗЗ-матриці, чи у вигляді піроелектричної мішені передавальної електронно-променевої трубки - піровідикона. Виготовлення гібридних матриць пов'язане із значними технологічними труднощами, одна з яких - складність теплоізоляції матриці приймачів від зчитуючої ПЗЗ-матриці. Тому, наразі, вартість таких матриць є істотно вищою, а забезпечувані ними параметри, як правило, не є кращими, порівняно із параметрами, забезпечуваними піровідиконами.

Піровідиконні тепловізійні камери (ПВТК) та системи (ПВТС) на сьогодні є найбільш дешевими неохолоджуваними засобами формування теплових зображень, мають задовільну для більшості задач просторову роздільну здатність (ПРЗ) та чутливість, не потребують застосування вузлів оптико-механічного сканування, працюють у широкому спектральному діапазоні. Хоча за своїми характеристиками ПВТС загалом поступаються перед охолоджуваними ТС на основі ФП, проте зазначені переваги сприяють їх широкому застосуванню, особливо для задач спостереження і контролю.

Ефективність та сфера застосування ПВТК можуть бути суттєво розширені за умови поліпшення їх основних параметрів, зокрема, просторової роздільної здатності, чутливості, однорідності фону зображення, зменшення маси, габаритів та енергоспоживання.

Аналізу роботи та поліпшенню параметрів ПВТК та ПВТС присвячена значна кількість праць вітчизняних та зарубіжних науковців, зокрема Н. Бєрьозкіна, П. Богомолова, Р. Ваттона, В. Вресхола, В. Вудворта, Ж. Госорга, А. Дуна, В. Колобродова, Л. Криксунова, Р. Логана, Дж. Лойда, В. Рабишка, В. Сидорова, Б. Сінгера, І. Усольцева, С. Хелміка, Б. Хоулемена, Н. Шустера та інших. У більшості робіт перспективи поліпшення основних параметрів ПВТК пов'язують, у першу чергу, з пошуком нових ефективних піроелектричних матеріалів, удосконаленням оптичної системи, конструкції обтюратора, піровідикона та його мішені. Однак, можливості поліпшення параметрів ПВТК таким шляхом на сьогодні в основному вичерпані. Разом з тим, параметри ПВТК можуть бути суттєво поліпшені за рахунок удосконалення вузлів та режимів сканування, попередньої обробки відеосигналу, формування багатоспектральних зображень, що і є предметом даної дисертації.

Сказане підтверджує актуальність проведених дисертаційних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у рамках держбюджетних робіт “ДБ-Пірокон” (номер держ. реєстрації 0198U002345) та ДБ/НДКІ-ДЗ (номер держ. реєстрації 0100U000515), що виконувалися в Науково-дослідному відділі радіотехнічних систем та Науково-дослідному конструкторському інституті “Елвіт” Національного університету “Львівська політехніка” згідно з Міжвузівською національною програмою “Національна термографія - розробка апаратурної бази та методик її застосування” (наказ Міносвіти №37 від 13.02.97 р.).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в поліпшенні основних параметрів піровідиконної тепловізійної камери, а саме просторової роздільної здатності, чутливості, зменшенні маси, габаритів та енергоспоживання камери шляхом аналізу і вдосконалення вузлів та режимів сканування.

Для досягнення поставленої мети розв'язувалися наступні задачі:

1. Проведення огляду та аналіз відомих методів поліпшення основних параметрів ПВТК.

2. Дослідження особливостей роботи фокусуючо-відхилювальної системи (ФВС) у складі ПВТК, формулювання на його основі рекомендацій щодо вдосконалення вузлів та режимів сканування.

3. Проведення теоретичного аналізу комутації потенціального рельєфу в звичайних піровідиконах та РЕМЕТ (Pyro Electric Modulation Effect Tube) відиконах при застосуванні 3-фазового сканування мішені. Розробка ефективних 3-фазових робочих циклів та їх аналіз.

4. Дослідження вимог до параметрів розкладу зображення в ПВТК.

5. Розробка вдосконалених структур пристроїв попередньої обробки відеосигналу.

6. Проведення експериментальних досліджень з метою підтвердження теоретичних висновків. Розробка макетів ФВС із зменшеними масою, габаритами та енергоспоживанням.

Об'єкт дослідження: процес формування теплових зображень прикладними телевізійними системами ІЧ діапазону.

Предмет дослідження: телевізійна камера ІЧ діапазону на основі піровідикона.

Методи дослідження. Теоретичні результати одержані за допомогою методів математичної фізики, математичного аналізу, електронної оптики, теорії фокусування та відхилення електронних пучків, теорії рядів, теорії теплопровідності, засобів комп'ютерної алгебри (пакет програм Maple V R6).

Достовірність наукових положень і результатів забезпечується строгістю та коректністю постановки задач, використанням апробованого математичного апарату, доведенням теоретичних досліджень до розрахунку і порівнянням отриманих результатів з відомими частковими результатами. Окремі теоретичні положення підтверджено експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше обґрунтовано теоретично та підтверджено експериментально ефект відмінності растрів зчитування і п'єдесталу піровідикона за розмірами та орієнтацією. Показано, що ця відмінність призводить до погіршення чутливості та просторової роздільної здатності ПВТК. Для основних варіантів побудови та режимів роботи ФВС одержано аналітичні вирази для оцінки відмінності растрів, достатності дефокусування растра п'єдесталу, ортогональності електронного пучка до мішені, що створило теоретичну базу для проектування та вибору режимів роботи ФВС і розгорток ПВТК.

2. Розвинуто для звичайних піровідиконів та проведено вперше для РЕМЕТ відиконів теоретичний аналіз комутації потенціального рельєфу для випадку застосування 3-фазових робочих циклів (у т.ч. для випадку порушення послідовності фаз сканування мішені). Одержані аналітичні залежності для струму відеосигналу, неоднорідностей та шумів п'єдесталу дозволяють вибрати ефективні режими роботи за скануванням та оцінити основні параметри ПВТК при застосуванні 3-фазових робочих циклів.

3. З урахуванням відмінності растрів піровідикона, результатів аналізу комутації потенціального рельєфу та формування теплового рельєфу розроблено нові багатопольові 3-фазові робочі цикли та одержано аналітичні вирази для модуляційної передавальної функції (МПФ) піровідикона для відомих та розроблених 3-фазових робочих циклів, що дозволило провести їх порівняльний аналіз.

4. Одержало подальший розвиток дослідження вимог до параметрів розкладу зображення в ПВТК, зокрема обґрунтовано недоцільність застосування черезрядкової розгортки та необхідність переходу до формату кадра 1:1.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Одержані аналітичні вирази та побудовані графічні залежності дозволяють оцінити відмінності растрів піровідикона за розмірами та орієнтацією, а також умови зменшення цих відмінностей, і можуть бути використані при проектуванні вузлів сканування та робочих циклів ПВТК.

2. Запропоновані 3-фазові робочі цикли, на відміну від відомих, дозволяють усунути порушення послідовності фаз сканування, а відтак - поліпшити однорідність чутливості та п'єдесталу по полю мішені без ускладнення або із незначним ускладненням ФВС та розгорток. Запропонований робочий цикл для РЕМЕТ відикона додатково дозволяє збільшити просторову роздільну здатність на 10-15%, чутливість за струмом - на 30%, частоту оновлення зображення - на 25%, порівняно із робочим циклом, запропонованим розробниками РЕМЕТ відикона.

3. Сформульовані рекомендації щодо вибору параметрів розкладу зображення в ПВТК. Запропоновані на рівні винаходу спосіб та пристрій формування вписаного растра зчитування піровідикона дозволяють забезпечити повне використання його площі, порівно із 60% для типового описаного растра формату 4:3, і, таким чином, поліпшити чутливість (орієнтовно на 30-55%), збільшити число елементів розкладу зображення та наблизити просторову роздільну здатність до забезпечуваної мішенню піровідикона.

4. Запропоновані нові методи та структури пристроїв попередньої дворівневої різницевої обробки відеосигналу, на відміну від методів та пристроїв однорівневої обробки, дозволяють збільшити еквівалентну розрядність обробленого сигналу на 3-4 розряди, поліпшити однорідність фону зображення, здійснити корекцію неоднорідності чутливості.

5. Розроблені макети ФВС забезпечують суттєво кращі електричні показники, мають менші масу (в декілька разів) і габарити, порівняно з серійними.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Результати дисертаційної роботи впроваджені у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів) при виконанні науково-дослідної роботи НД-24/130 (номер держ. реєстрації 0195U006606); у Національному університеті “Львівська політехніка” при виконанні науково-дослідних робіт ДБ-ПІРОКОН (номер держ. реєстрації 0198U002345) та ДБ/НДКІ-ДЗ (номер держ. реєстрації 0100U000515), а також у навчальному процесі підготовки фахівців з напряму “Радіотехніка”, дисципліна “Прикладні телевізійні системи”, що підтверджується відповідними актами.

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної і експериментальної частин роботи та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано автором особисто. В роботах, написаних у співавторстві, автору належить: [1, 2, 11, 12] - математична модель та аналіз особливостей роботи кососоленоїдної ФВС у складі ПВТК; [3, 18] - опис розробленої тепловізійної камери та огляд шляхів її удосконалення; [4, 16, 20] - розробка методів та засобів попередньої обробки відеосигналу, відеопроцесорів формування багатоспектральних зображень; [5, 6, 15, 17] - теоретичний аналіз та експериментальні дослідження відмінності растрів, методи погодження растрів, аналіз та оцінка растрової неоднорідності п'єдесталу; [7, 8, 19] - аналіз та вибір параметрів розкладу зображення, синтез багатопольових робочих циклів, аналітичні вирази для модуляційної передавальної функції; [9, 14] - аналіз вимог до ФВС піровідикона, розробка та експериментальні дослідження ФВС; [10] - структура нашоломної бінокулярної системи відображення; [13] - модель та аналітичні співвідношення для розрахунку кривих юстування ФВС; [21] - спосіб та структура пристрою формування вписаного растра зчитування. Аналіз результатів окремих досліджень та аспектів прикладних застосувань проведено у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на наступних міжнародних науково-технічних конференціях та семінарах: “Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів” (Славсько, 1996, 2000); “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки” (Славсько, 2001); “Telecommunication in modern satellite, cable and broadcasting services” (Югославія, Ніш, 1997, 2001); “Optoelectronic and hybrid optical/digital systems for image/signal processing”, (Львів, 1999); “Системы контроля окружающей среды” (Севастополь, 1999); “Проблеми економії енергії” (Львів, 2001).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи висвітлено в 20 друкованих працях загальним обсягом 98 сторінок, в тому числі 8 статей у фахових виданнях та 1 патент, які повністю висвітлюють її зміст.

Структура дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (141 найменування) та додатків. Повний обсяг роботи 178 сторінок, у тому числі 12 сторінок списку використаних джерел, 56 рисунків та 3 таблиці на 22 сторінках. У додатках обсягом 4 сторінки наведено документи про впровадження. Основний текст дисертації викладено на 140 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі коротко розглянуто основні показники, використовувані в теплобаченні для оцінки ТС, особливості функціонування ПВТК, проведено огляд та аналіз основних методів поліпшення параметрів ПВТК. Визначено теоретичні передумови та обґрунтовано вибір основних напрямків дисертаційного дослідження.

В якості найбільш загальних критеріїв для оцінки чутливості та ПРЗ ПВТК вибрано відношення сигнал/шум та МПФ, відповідно.

Запропоновано термін “робочий цикл”, під яким розуміємо погоджену з модуляцією потоку ІЧ випромінення циклічно здійснювану послідовність фаз сканування мішені піровідикона. Класифікувати робочі цикли пропонується за числом полів розгортки, фаз сканування мішені та за періодом модуляції потоку випромінення.

Показано, що чутливість та ПРЗ ПВТК суттєвим чином залежать, зокрема, від комутаційної інерційності, рівня неоднорідностей та шумів п'єдесталу, параметрів розкладу зображення, використання площі скануючого растра, застосованого робочого циклу, що обумовило вибір напрямків дисертаційного дослідження.

Встановлено необхідність дослідження особливостей роботи ФВС ПВТК, виявлення на основі його результатів вимог та рекомендацій щодо вдосконалення ФВС, розгорток та робочих циклів.

Виявлено відсутність достатньо глибокого аналізу показників та роботи ПВТК при застосуванні 3-фазових робочих циклів, що обмежує виявлення можливостей їх удосконалення.

Обґрунтовано необхідність проведення дослідження вимог до параметрів розкладу зображення в ПВТК з урахуванням апертури скануючого пучка, роздільної здатності мішені, використання площі скануючого растра, особливостей накопичення потенціального рельєфу та попередньої обробки відеосигналу.

Показано, що відомі методи та засоби попередньої цифрової обробки відеосигналу ПВТК є недостатньо ефективними, зокрема, через зменшення еквівалентної розрядності обробленого відеосигналу, що зумовлює необхідність їх подальшого вдосконалення.

У другому розділі досліджено особливості роботи ФВС піровідикона, проведено аналіз растрової неоднорідності п'єдесталу, відмінностей растрів зчитування і п'єдесталу, умов забезпечення ортогональності електронного пучка до мішені для основних варіантів побудови та режимів роботи ФВС.

Показано, що в піровідиконі фактично формується декілька растрів (відповідно до кількості фаз сканування мішені), переважно два - растр зчитування (фаза “зчитування”, режим повільних електронів (РПЕ)) та растр п'єдесталу (фаза “компенсація”, режим швидких електронів (РШЕ)). Перехід у РШЕ звичайно здійснюється шляхом зниження катодного потенціалу піровідикона (з 0 В до -70...-90 В), що призводить до зміни режиму роботи ФВС, а відтак - до неідентичності формованих растрів. Наслідки відмінності растрів:

· Поява муару. При недостатньому дефокусуванні растра п'єдесталу на зображенні з'являється муар, спричинений растровою неоднорідністю п'єдесталу.

· Неповне використання площі растра зчитування чи растра п'єдесталу. Призводить до збільшення комутаційної інерційності чи растрової неоднорідності п'єдесталу, зменшення числа елементів розкладу зображення чи розширення смуги частот відеосигналу.

· Порушення послідовності фаз сканування в окремих зонах мішені при застосуванні типових 3-фазових робочих циклів із виконанням усіх фаз в одному полі розгортки. Призводить до погіршення однорідності чутливості та п'єдесталу по полю мішені.

На основі аналізу растрового фону п'єдесталу отримано аналітичний вираз для оцінки необхідного значення апертури скануючої плями в фазі компенсації для забезпечення заданого рівня растрової неоднорідності п'єдесталу. Проведено аналіз достатності дефокусування растра п'єдесталу для основних варіантів виконання фокусуючої системи (ФС). Аналізувалися довга і коротка електромагнітні ФС та електростатична ФС. Для електромагнітних ФС аналіз проводився шляхом розв'язку рівнянь параксіальних траєкторій електронів при апроксимації магнітного фокусуючого поля дзвоноподібним розподілом. Для аналізу електростатичної ФС використано методи електронної оптики. Отримано аналітичні вирази для оцінки приведеного радіуса скануючої плями в залежності від режиму роботи та конструктивних параметрів ФС. Зокрема, для довгої електромагнітної ФС отримано наступний вираз:

, ,

; ;

, - потенціали катода та анода, відповідно; - приведений до віддалі кросовер-мішень радіус дефокусованої плями; - апертурний кут; - нормовані координата центру та півширина фокусуючого поля, відповідно; - номер робочого фокусу.

Аналіз показав, що короткі електромагнітні чи електростатичні ФС забезпечують краще дефокусування растра п'єдесталу, порівняно із довгою електромагнітною ФС, що працює на 1-му фокусі. Максимальне дефокусування растра має місце при застосуванні довгої електромагнітної ФС, що працює в режимі двократного фокусування. Недостатнє дефокусування растра п'єдесталу можливе при роботі на 1-му фокусі та на фокусах вище 3-го порядку.

Дослідження відмінності растрів зчитування та п'єдесталу, а також умов забезпечення ортогональності пучка до мішені, проводилося на основі аналізу параксіальних траєкторій електронного пучка для типової електромагнітної ФВС із суміщенням полів (СП) фокусування та відхилення, електромагнітної та електростатичної ФВС із розділенням полів (РП) фокусування та відхилення, кососоленоїдної ФВС (КФВС).

Для типової ФВС із СП траєкторний аналіз проведено для ряду законів розподілу відхилювального поля на осі піровідикона. Зокрема, для косинус-квадратного закону розподілу отримано наступні залежності для координат відхиленого пучка:

,

де ; ;

, - максимальна індукція складових магнітного відхилювального поля на осі піровідикона; - індукція однорідного магнітного фокусуючого поля; , - нормовані півширина (за рівнем ) та координата центру відхилювального поля, відповідно; = 0,585 - коефіцієнт приведення. Залежність для отримується із взаємною заміною і . Аналіз даної залежності показав наявність зміни як розміру, так і орієнтації растра п'єдесталу відносно растра зчитування.

Показано, що неортогональність пучка до мішені в РПЕ визначається залежністю

,

звідки умова ортогональності:

,

Для , найбільш зручним для практичного застосування є , при якому спостерігаються незначні зміни растра п'єдесталу та достатнє його дефокусування

Проведено оцінку відмінності растрів в залежності від режиму роботи та конструктивних параметрів ФВС. Зокрема, для реально використовуваних режимів роботи та конструктивних параметрів ФВС, виявлено ефект зменшення растра п'єдесталу на 15% для електромагнітних і на 20% - для електростатичних ФВС із РП, а для типових ФВС із СП - можливість як зменшення, так і збільшення растра п'єдесталу на 15-20% та його поворот на 10-20, відносно растра зчитування.

Показано, що мінімізувати зміни растра для ФВС із СП можна за рахунок вибору режиму роботи за фокусуванням, положення відхилювальної системи та ширини відхилювального поля. Ортогональність пучка до мішені може бути забезпечена усіма розглянутими варіантами ФВС, проте найбільш легко її забезпечити при застосуванні ФВС із СП за умови використання фокусів вищих порядків. Детальний аналіз роботи КФВС сумісно з піровідиконом показали, що за основними параметрами вона еквівалентна звичайній ФВС із СП і, за умови використання додаткових схем розв'язки, дозволяє використати звичайні розгортки.

У третьому розділі проведено аналіз та вибір режимів роботи ПВТК за скануванням з урахуванням відмінності растрів піровідикона.

З метою вибору ефективних режимів роботи за скануванням, оцінки основних параметрів ПВТК та впливу порушення послідовності фаз сканування проведено аналіз комутації потенціального рельєфу для випадку застосування 3-фазових робочих циклів. Аналіз проводився шляхом аналітичного розв'язку рекурсивних рівнянь рівноважного режиму, складених у відповідності з послідовністю фаз робочого циклу в припущенні малості потенціального рельєфу, неоднорідностей та шумів п'єдесталу, порівняно із величиною п'єдесталу. При аналізі приймалася нелінійна апроксимація вольт-амперної характеристики піровідикона в РПЕ , де - струм мішені; - струм електронного променя; - потенціал сканованої поверхні мішені; - потенціал катода; - параметр, що характеризує розкид електронів за швидкостями. При скануванні мішені в РШЕ приймалося, що її потенціал збільшується на певну фіксовану величину , оскільки струм мішені в фазі компенсації в першому наближенні є постійним. Для піровідиконів зі звичайним методом зчитування потенціального рельєфу та РЕМЕТ відиконів аналіз проводився окремо через їх суттєву відмінність в методах зчитування потенціального рельєфу.

Для звичайних піровідиконів отримано такі результати.

1. Коефіцієнти придушення неоднорідностей (геометричних шумів) та некорельованих шумів п'єдесталу визначаються залежностями:

; ,

де - неоднорідність струму п'єдесталу у відеосигналі, - неоднорідність струму мішені в фазі компенсації; - коефіцієнт, що виражає надлишковість генерованого в фазі компенсації п'єдесталу, порівняно із його номінальним значенням;

комутаційна інерційність; - середньо квадратичний шум п'єдесталу у відеосигналі; - середньоквадратичний шум скануючого пучка у фазі компенсації. Підстановкою отримуються відомі вирази для 2-фазового сканування.

2. Струм відеосигналу для 3-фазового робочого циклу (тривалістю до 6 полів розгортки і загалом несиметричної функції модуляції потоку випромінення) визначається наступним узагальненим виразом:

, (1)

де - струм п'єдесталу; - піроелектричний коефіцієнт; - площа мішені; - тривалість фази зчитування; - приріст температури мішені у відповідному за номером полі розгортки робочого циклу (може бути як від'ємним, так і додатним). відповідають тепловому рельєфу, накопиченому між фазами зчитування та компенсації (приймається, що в робочому циклі зчитування здійснюється 2 рази для уможливлення застосування різницевої обробки відеосигналу), - між фазами компенсації та вирівнювання, а - між фазами вирівнювання та зчитування. При відсутності накопичення між певними фазами сканування слід прийняти відповідні складові рівними нулю. З (1) можна отримати відомий вираз для 2-фазового робочого циклу.

На основі аналізу отриманих співвідношень зокрема виявлено, що використання 3-фазового сканування недоцільне при значній комутаційній інерційності (), внаслідок зменшення чутливості, порівняно із 2-фазовим скануванням.

Для РЕМЕТ відикона отримано наступні результати.

1. Коефіцієнти придушення неоднорідностей (геометричних шумів) та некорельованих шумів п'єдесталу визначаються залежностями:

; , (2)

де - комутаційна інерційність РЕМЕТ відикона в фазі вирівнювання.

З залежностей (2) зокрема випливає, що при незначних струмах п'єдесталу () буде спостерігатися сильне зростання геометричних шумів. Рівень некорельованих шумів зменшується при зменшенні комутаційної інерційності (для рівень шуму зменшується в 2,5 рази, порівняно з випадком ). Це говорить зокрема про недоцільність формування п'єдесталу в РЕМЕТ відиконах за рахунок власної провідності матеріалу мішені та іонного струму залишкових газів.

2. Струм сигналу для 3-фазового робочого циклу (тривалістю до 6 полів розгортки і загалом несиметричної функції модуляції потоку випромінення) та середньоквадратичний шум п'єдесталу визначаються залежностями:

, (3)

,

де - крутизна характеристики перетворення РЕМЕТ відикона; - ємність мішені, решту позначень введено вище.

Аналіз випадку порушення послідовності фаз сканування мішені показав, що для малих сигналів ефективність зчитування потенціального рельєфу не зміниться, проте істотно збільшиться неоднорідність п'єдесталу у відеосигналі (в середньому до 100%), а також рівень некорельованих шумів (приблизно в 1,4-3 рази, в залежності від режиму роботи та типу піровідикона) у відповідних зонах мішені. Це підтвердило необхідність забезпечення коректної послідовності фаз сканування шляхом модифікації вузлів сканування (ФВС та розгорток) чи шляхом розробки робочих циклів із виконанням кожної з фаз сканування в окремому полі розгортки.

З урахуванням відмінності растрів, результатів аналізу комутації потенціального рельєфу та формування теплового рельєфу розглянуто основні можливості реалізації та проведено синтез 3-фазових багатопольових робочих циклів.

Виходячи з узагальнених рівнянь (1, 3), вперше одержано аналітичні вирази для МПФ 3-фазових робочих циклів, що дозволило провести їх порівняльний аналіз за ПРЗ та чутливістю. Зокрема, встановлено, що одним із кращих є розроблений 6-польовий робочий цикл з періодом модуляції випромінення тривалістю 2 поля розгортки. В такому робочому циклі кожна з фаз сканування виконується в окремому полі розгортки, що забезпечує задану просторово-часову послідовність фаз сканування мішені без ускладнення ФВС та розгорток. Показано також, що даний робочий цикл також забезпечує кращі, порівняно з іншими запропонованими варіантами, МПФ та чутливість при значній комутаційній інерційності.

Одержано, що МПФ 6-польового робочого циклу описується виразом (для піровідиконів із звичайним методом зчитування потенціального рельєфу):

,

де - просторова частота; - ефективний коефіцієнт термодифузії мішені; - частота модуляції потоку випромінення. Вираз для РЕМЕТ відикона отримується заміною першого множника на .

Проведено також аналіз МПФ несиметричного 4-польового робочого циклу, запропонованого розробниками РЕМЕТ відикона емпірично. Знайдено, що МПФ такого робочого циклу (з урахуванням різницевої обробки) описується залежністю:

, .

Порівняння 6-польового та несиметричного 4-польового робочих циклів показало наступні переваги першого: кращі ПРЗ (на 10-15%) та контраст (на 15-20%); збільшення чутливості за струмом (на 30%); вища частота оновлення зображення (на 25%); симетрична конструкція та малі габарити обтюратора.

У розділі також проведено дослідження вимог до параметрів розкладу зображення в ПВТК. Аналізувалися такі параметри розкладу, як частота полів розгортки і частота модуляції потоку випромінення, число рядків розкладу і черезрядковість, формат кадру.

Встановлено, що поліпшення ПРЗ за рахунок збільшення частоти модуляції при відносно незначному погіршенні чутливості доцільне лише для РЕМЕТ відиконів. Оцінку достатнього числа рядків розкладу проведено на основі аналізу МПФ мішені та апертурно-частотної характеристики піровідикона. Встановлено, що достатнє число рядків розкладу для структурованої мішені становить біля 400. Збільшення цього числа призводить до погіршення відношення сигнал/шум за рахунок зростання комутаційної інерційності та розширення смуги частот відеосигналу.

Показано, що застосування в ПВТК черезрядкової розгортки недоцільне, зокрема через особливості процесу накопичення потенціального рельєфу та наявність різницевої обробки відеосигналу. Остання фактично здійснює просторове усереднення сигналу двох суміжних рядків, що, відтак, призводить до погіршення МПФ ПВТК. Одержано, що при застосуванні черезрядкової розгортки, МПФ різницевої обробки визначається рівнянням:

, (4)

де h - висота растра; Z - число активних рядків сканування. Проведені розрахунки показали, що застосування різницевої обробки разом з телевізійною черезрядковою розгорткою () призводить до зниження ПРЗ приблизно на 10-15%, а максимально можлива ПРЗ обмежується на рівні 440 ТВЛ/растр навіть при ідеальній МПФ піровідикона. Контраст в ділянці високих просторових частот при цьому буде меншим, ніж при використанні прогресивної розгортки. Як можна бачити з (4), ПРЗ різко погіршиться при збільшенні кроку вертикального сканування.

Встановлено недоцільність застосування типового телевізійного формату кадра 4:3. Для такого формату використовується <60% площі растра зчитування. Показано, що зменшення активної частини площі растра зчитування призводить до збільшення комутаційної інерційності, зменшення числа активних елементів розкладу зображення чи збільшення рівня шумів відеопідсилювача за рахунок розширення смуги частот відеосигналу. Встановлено доцільність переходу до формату кадра 1:1 (шляхом зменшення швидкості сканування чи збільшення числа рядків сканування при попередньому значенні швидкості сканування), для якого активна частина площі зчитуючого растра складатиме біля 80%.

Проведено дослідження причин нестабільної роботи піровідикона із вписаним растром. Обґрунтовано необхідність розробки методу забезпечення балансу зарядів на усій площі мішені, що дозволить сформувати вписаний растр зчитування.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень, а також результати розробки методу та засобів формування вписаного растра зчитування, вдосконалених варіантів ФВС, структур пристроїв попередньої обробки відеосигналу.

Запропоновано на рівні винаходу спосіб та пристрій, що дозволяють реалізувати роботу ПВТК із вписаним растром зчитування [21]. Спосіб базується на використанні 3-фазового сканування та регулюванні розміру растра в кожній з фаз сканування і забезпечує повне використання площі растра зчитування, що дозволяє збільшити число елементів розкладу зображення та чутливість (орієнтовно на 30-55%), а також наблизити ПРЗ до забезпечуваної мішенню піровідикона. Згідно із запропонованим способом растр, формований у фазі вирівнювання, тепер, крім своєї основної функції - зменшення неоднорідностей та шумів п'єдесталу, виконує також функцію стабілізації потенціалу поверхні мішені, розряджаючи ділянки мішені з надлишковим потенціалом, що забезпечує стійку роботу піровідикона. Керування розміром растра здійснюється регуляторами відхилювальних струмів за рядком та кадром, або додатковою відхилювальною системою.

Наведено результати експериментальних досліджень, які підтверджують відмінність растрів піровідикона, створюваних в РШЕ та РПЕ. В експерименті використовувався макет ПВТК з пам'яттю зображень і типовою ФВС із СП фокусування і відхилення СФО-2, що працювала в режимі двократного фокусування. Для оцінки відмінності растрів використано режим поляризації мішені, який повністю еквівалентний режиму формування п'єдесталу, за винятком величини зміни катодного потенціалу (- 40 В), і дає можливість безпосередньо отримати на відеоконтрольному пристрої зображення мішені.

Легко бачити, що зображення кільця кріплення мішені в режимі поляризації (D1) є меншим, ніж в режимі зчитування (D2), що говорить про збільшення растра, порівняно із режимом зчитування. Значення відносної зміни розміру растра в режимі поляризації, визначене з рисунків, становить 12,5%. Враховуючи, що при формуванні растра п'єдесталу потенціал катода є приблизно вдвічі нижчий (- 80 В, проти згаданих вище -40 В), шляхом перерахунку отримано оцінку збільшення растра п'єдесталу приблизно на 18%. Результати експерименту добре узгоджуються з результатами теоретичного аналізу і підтверджують наявність значних змін розмірів растра, зокрема і можливість збільшення растра п'єдесталу.

Наведено зображення тестового об'єкту (теплової міри), отримані за допомогою макетів ПВТК із типовим 2-фазовим робочим циклом (а) та запропонованим 6-польовим 3-фазовим робочим циклом (б). В обидвох камерах використано піровідикон ЛИ492. Температура фону складала 25С, а теплової міри - 20С. Просторова частота теплової міри складає біля 130 ТВЛ/мішень. Як можна бачити, спостерігається візуально відчутне поліпшення ПРЗ та чутливості, що підтверджує ефективність запропонованого робочого циклу.

Розроблено та експериментально досліджено макети ФВС, виготовлені з застосуванням нових для піровідиконів технічних та технологічних рішень, які забезпечують суттєво кращі показники, порівняно зі серійними. Зокрема, для виконаного за схемою з розділенням полів фокусування та відхилення макету “ФВС3”, досягнуто зменшення маси в 3 рази при збільшенні ефективності відхилення в 4 рази, порівняно із серійною ФВС СФО-2, виконаною за схемою із суміщенням полів фокусування та відхилення.

Проаналізовано методи та структури пристроїв попередньої обробки відеосигналу піровідикона, використовувані для формування однополярного відеосигналу та усунення геометричних шумів (неоднорідностей фону зображення). Показано, що відомі пристрої попередньої різницевої обробки є недостатньо ефективними, зокрема, внаслідок непогодженості динамічного діапазону АЦП з корисною складовою відеосигналу та загрози входу відеопідсилювача в режим насичення при зміні рівня п'єдесталу.

Запропоновано нові структури пристроїв попередньої обробки відеосигналу з використанням принципу дворівневої аналого-цифрової різницевої обробки, що дозволило збільшити еквівалентну розрядність обробленого сигналу на 3-4 двійкові розряди (число рівнів квантування обробленого сигналу зростає у 8-16 разів), поліпшити однорідність фону зображення, порівняно з пристроями однорівневої різницевої обробки. Наведено одну із розроблених структур відеопроцесора, що реалізує запропонований принцип дворівневої сумарно-різницевої обробки.

Окремі рішення подано до патентування.

У розділі також запропоновано структури відеопроцесорів для формування багатоспектральних теплових зображень.

У додатках наведено документи про впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі в цілому вирішено задачу поліпшення параметрів піровідиконних тепловізійних камер, а саме, просторової роздільної здатності та чутливості, зменшення маси, габаритів та енергоспоживання шляхом удосконалення вузлів та режимів сканування. Основні результати роботи зводяться до наступного.

1. Вперше обґрунтовано теоретично та підтверджено експериментально ефект відмінності растрів зчитування і п'єдесталу піровідикона за розмірами та орієнтацією. Показано, що ця відмінність призводить до погіршення чутливості та просторової роздільної здатності ПВТК. Для основних варіантів побудови та режимів роботи ФВС одержано аналітичні вирази для оцінки відмінності растрів, достатності дефокусування растра п'єдесталу, ортогональності електронного пучка до мішені, що створило теоретичну базу для проектування та вибору режимів роботи ФВС і розгорток ПВТК.

2. Розвинуто для звичайних піровідиконів та проведено вперше для РЕМЕТ відиконів теоретичний аналіз комутації потенціального рельєфу для випадку застосування 3-фазових робочих циклів (у т.ч. для випадку порушення послідовності фаз сканування мішені). Одержані аналітичні залежності для струму відеосигналу, неоднорідностей та шумів п'єдесталу дозволяють вибрати ефективні режими роботи за скануванням та оцінити основні параметри ПВТК при застосуванні 3-фазових робочих циклів. Встановлено, що порушення послідовності фаз сканування призводить до зростання неоднорідностей (до 100%) та шумів (в 1,4-3 рази) п'єдесталу в окремих зонах мішені.

3. На основі результатів аналізу комутації потенціального рельєфу та формування теплового рельєфу, одержано аналітичні вирази для модуляційної передавальної функції (МПФ) піровідикона для відомих та розроблених 3-фазових робочих циклів, що дозволило провести їх порівняльний аналіз за просторовою роздільною здатністю та чутливістю.

4. Розроблені багатопольові 3-фазові робочі цикли, на відміну від відомих, дозволяють усунути порушення послідовності фаз сканування мішені і, таким чином, поліпшити однорідність чутливості та п'єдесталу по полю зображення без погіршення просторової роздільної здатності та чутливості, без ускладнення, або із незначними ускладненнями ФВС та розгортки ПВТК. Запропонований робочий цикл для РЕМЕТ відиконів додатково дозволяє поліпшити просторову роздільну здатність на 10-15%, збільшити еквівалентну чутливість за струмом - на 30% та частоту оновлення зображення - на 25%, порівняно із робочим циклом, запропонованим розробниками РЕМЕТ відикона.

5. Дістало подальший розвиток дослідження вимог до параметрів розкладу зображення в ПВТК. Зокрема, встановлено недоцільність застосування черезрядкової розгортки, обґрунтовано вибір числа рядків розкладу та необхідність переходу до формату кадра 1:1. Запропоновано на рівні винаходу спосіб та пристрій для формування вписаного растра зчитування, що дозволило забезпечити повне використання його площі, порівняно із 60% для стандартно використовуваного описаного растра формату 4:3, і, таким чином, поліпшити чутливість (орієнтовно на 30-55%), збільшити число елементів розкладу зображення та наблизити просторову роздільну здатність до забезпечуваної мішенню піровідикона.

6. Запропоновано методи та структури пристроїв попередньої дворівневої різницевої обробки відеосигналу, які, на відміну від відомих методів та пристроїв однорівневої обробки, дозволяють збільшити еквівалентну розрядність обробленого сигналу на 3-4 двійкових розряди, поліпшити однорідність фону зображення, здійснити корекцію просторової неоднорідності чутливості.

7. Розроблено та експериментально досліджено макети ФВС, які забезпечують суттєво кращі показники, порівняно із серійними. Зокрема, для макету “ФВС3” досягнуто зменшення маси в 3 рази при збільшенні ефективності відхилення в 4 рази, порівняно із серійною ФВС СФО-2.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Гой В., Педан А. Математична модель кососоленоїдної магнітної системи відхилення променя для портативних передаючих камер Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. - 1996. - №302. - С. 47-50.

Гой В., Педан А. Оптимізація ефективності відхилення кососоленоїдної магнітної відхильної системи Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Теорія і проектування напівпровідникових та радіоелектронних пристроїв. - 1997. - №326. - С. 13-16.

Боженко И.Б., Гой В.Н., Кондратов П.А. Расширение функциональных возможностей тепловизионной камеры для инфракрасной термографии морских объектов Системы контроля окружающей среды. - Сборник научных трудов НАН Украины, МГИ: - Севастополь. - 1999. - С. 130-132.

Боженко І., Гой В., Грицьків З., Кондратов П. Спрощений метод виділення контурів для формування композитних зображень в теплобаченні Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. - 1999. - №367. - С. 25-28.

Грицьків З., Кондратов П., Гой В. Дослідження растрової неоднорідності п'єдесталу в піровідиконах // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2000. - №387. - С. 370-374.

Грицьків З., Гой В., Кондратов П. Аналіз особливостей роботи піровідикона при суміщених полях фокусування і відхилення Вісник НУ “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2000. - №399. - С.53-59.

Гой В., Кондратов П., Воронов С., Гордейко Н. Вибір режиму сканування для тепловізійної камери на базі піровідикона // Наукові Вісті НТУУ КПІ. - 2001. - №3. - С. 91-99.

Гой В., Грицьків З., Кондратов П. Багатопольові робочі цикли формування сигналу тепловізійної камери // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2001. - №428. - С. 39-49.

Гой В., Кондратов П., Педан А., Туркінов Г., Шклярський В. Фокусуючо-відхилювальні системи для піровідиконних тепловізійних камер // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2001. - №428. - С. 49-53.

Патент № 34642А Україна, H04N 5/74. Нашоломна бінокулярна індикаторна система. / Гой В., Кондратов П., Шклярський В.; ДУ “Львівська політехніка”; Опубл. 15.03.2001 Бюл. №2. - 2 с. іл.

Гой В., Педан А. Лінійна модель кососоленоїдної магнітної системи відхилення променя / Держ. Ун-т “Львівська політехніка”. - Львів, 1995.- 15 С. - Укр. - Деп. в ДНТБ України 02.11.95, №2347 - Ук95.

Гой В., Педан А. Математична модель та аналіз параметрів кососоленоїдної магнітної відхилювальної системи // Матеріали міжнародної НТК “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”, Львів - Славсько, 1996. - Том 2. - С. 46-47.

Grytskiv Z., Goj V., Pedan A. Theoretical and practical aspects of deflection system alignment // Proc. of Int. conf. TELSIKS'97, Yugoslavia, Nis, 1997.-Vol. 2, P. 578-579.

Goj V., Grytskiv Z., Kondratov P., Muravyov S., Pedan A., Shkljarskyi V., Turkinov G. Portable thermovision camera for nondestructive testing Optoelectronic and hybrid optical/digital systems for image processing. - Proc. SPIE, 1997, Vol.3238, P. 228-235.

Goj V., Hrytskiv Z., Kondratov P. Improving of pyroelectric vidicon performance by trace and retrace scanning rasters matching Optoelectronic and hybrid optical/digital systems for image and signal processing. - Proc. SPIE, Vol. 4148, 1999. - P. 230-235.

Kondratov P., Goj V., Voronov S. Multispectral observation for thermal object Optoelectronic and hybrid optical/digital systems for image and signal processing. - Proc. SPIE, Vol. 4148, 1999. - P. 223-225.

Hrytskiv Z., Kondratov P., Goj V. Analysis of raster inhomogeneity of pedestal in pyroelectric vidicon Proc. of Int. conf. TCSET'2000, Slavsko, 2000. - P. 235-236.

Бродський М., Гой В., Зеляновський Ю., Кондратов П. Тепловізійний аудит промислових та житлових об'єктів // Матеріали міжнародної НПК “Проблеми економії енергії”, Львів, 2001р. - С.197-198.

Hoy V. Selection of scanning mode and target readingpreparation method for pyrovidicon based thermovision systems design Proc. of Int. conf. CADSM'2001, Lviv - Slavsko, 2001. - P. 221-222.

Kondratov P., Hrytskiv Z., Hoy V. Improved video processor for pyroelectric vidicon based IR camera // Proc. of Int. conf. TELSIKS'2001, Yugoslavia, Nis, 2001. - Vol. 2. - P. 426-429.

Результати дисертаційних досліджень додатково відображені в:

Рішення про видачу патенту України від 13.09.2001 за заявкою №2001042603, H04N 533. Тепловізійна камера. /Гой В., Кондратов П., Шклярський В.; НУ “Львівська політехніка”. - 6 с., іл.

Анотація

Гой В.М. Поліпшення параметрів піровідиконних тепловізійних камер шляхом вдосконалення вузлів та режимів сканування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2002.

Дисертація присвячена поліпшенню основних параметрів піровідиконних тепловізійних камер, а саме: просторової роздільної здатності, чутливості, зменшенню маси, габаритів та енергоспоживання.

Проведено дослідження особливостей функціонування фокусуючо-відхилювальної системи (ФВС) піровідиконної тепловізійної камери. Виявлено теоретично та підтверджено експериментально ефект відмінності растрів піровідикона в режимах швидких та повільних електронів. Доведено, що відмінність растрів призводить до погіршення чутливості та просторової роздільної здатності. Досліджено умови мінімізації відмінності растрів за розмірами та орієнтацією, ортогональності електронного пучка до мішені та забезпечення достатнього дефокусування растра п'єдесталу для основних варіантів побудови ФВС. Створено математичну модель комутації потенціального рельєфу для випадку 3-фазового сканування мішені для типових піровідиконів та РЕМЕТ відиконів. Проведено аналіз та синтез 3-фазових багатопольових робочих циклів. Розроблено метод та засоби формування вписаного растра, модифіковані вузли попередньої обробки сигналу, вдосконалені взірці ФВС. Результати теоретичних досліджень підтверджено експериментально.

Ключові слова: прикладна телевізійна система, тепловізійна камера, піровідикон, фокусуючо-відхилювальна система, багатофазове сканування, багатопольовий робочий цикл, попередня обробка відеосигналу.

Аннотация

Гой В.Н. Улучшение параметров пировидиконных тепловизионных камер путем усовершенствования узлов и режимов сканирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы - Национальный университет “Львивська политэхника”, Львов, 2002.

Диссертация посвящена улучшению основных параметров пировидиконных тепловизионных камер, а именно: пространственной разрешающей способности, чувствительности, уменьшению массы, габаритов и энергопотребления.

Проведены исследования особенностей функционирования фокусирующе-отклоняющей системы (ФОС) пировидиконной тепловизионной камеры. Выявлено теоретически и подтверждено экспериментально эффект отличия растров пировидикона в режимах быстрых и медленных электронов. Показано, что отличие растров приводит к ухудшению чувствительности и пространственной разрешающей способности. Исследованы условия минимизации отличия растров за размерами и ориентацией, ортогональности электронного пучка к мишени и достаточности дефокусирования растра пьедестала для основных вариантов конструкции ФОС. Создана математическая модель коммутации потенциального рельефа для случая 3-фазового сканирования для типичных пировидиконов и РЕМЕТ видиконов. Проведены анализ и синтез 3-фазовых многополевых рабочих циклов. Разработаны метод и устройство формирования вписанного растра, модифицированные узлы предварительной обработки сигнала, улучшенные образцы ФОС. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментально.

Ключевые слова: прикладная телевизионная система, тепловизионная камера, пировидикон, фокусирующе-отклоняющая система, многофазовое сканирование, многополевой рабочий цикл, предварительная обработка видеосигнала.

Abstract

Goy V.M. Improvement of pyroelectric vidicon thermovision camera parameters by modernization of scanning modes and units. - Manuscript.

Thesis for PhD degree by specialty 05.12.17 - Radio technical and television systems - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2002.

Thesis are devoted to improvement of main parameters of pyroelectric vidicon thermovision cameras, namely spatial resolution, sensitivity, mass, overall dimensions and power consumption by the analysis and elaboration of scanning modes and units, video signal preprocessing.

The peculiarities of scan rasters forming in the pyroelectric vidicon (PEV) have been investigated. It was established that the change of PEV operating mode by the cathode potential causes differences of formed rasters in dimensions, orientation and focusing. It was proved that these differences cause decreasing of sensitivity and spatial resolution due to incomplete use of the area of one of the rasters and violation of phase sequence for 3-phase scanning. The theoretical analysis and numeric modeling of the raster differences have been performed for a number of focus-deflection system (FDS) implementations. The possibility to decrease or increase of pedestal raster by 15-20% and its turn by 10-20 in comparison with read-out raster have been revealed for real operating modes and typical electromagnetic FDS with combined focusing and deflection fields. It was determined that minimal rasters difference coupled with maximal defocusing of pedestal raster can be achieved by the choice of deflection field width and by the operating on the second focus. The experimental verification of this effect has been obtained.

The mathematical model of potential relief read-out was proposed for the 3-phase multi-field operating cycles for typical PEV and PEMET vidicons. Obtained analytical results allow determining the conditions of pedestal inhomogeneities and noise suppression, the efficiency of potential relief read-out and so allow to select the effective scanning modes. The analysis showed that scanning phase sequence violation caused by raster differences does not influence the read-out efficiency for low signals, however it causes considerable increase of pedestal inhomogeneities and noise, and so the decrease of sensitivity. On the base of read-out analysis results the Modulation Transfer Function (MTF) of multi-field 3-phase operating cycles have been analyzed. The effective multi-field 3-phase operating cycles for typical PEV and PEMET vidicons were proposed. In contrast to known ones, they allowed to remove violation of scan phase sequence and thus allowed to improve target preparation quality without degeneration of spatial resolution and without or with slight complication of FDS and scanning units of the camera. The proposed operating cycles for PEMET vidicon allow to increase spatial resolution (approx. on 10-15%), sensitivity (on 30%) and image refresh frequency (on 25%) in comparison with operating cycle proposed by developers of PEMET vidicon. The analysis of suitable parameters of scanning with taking into account electron beam and target resolution, peculiarities of potential relief accumulating and video signal pre-processing was also carried out. The decreasing of spatial resolution and contrast in the case of interlaced scanning application, the necessity of use of frame format 1:1 and sufficiency of 400-line scanning have shown.