Шляхи поліпшення характеристик піровідиконів
Дослідження залежності вихідного сигналу піровідиконів від параметрів мішені і періоду кадрової розгортки. Характеристика методів підвищення просторової і температурної роздільної здатності тепловізорів. Розробка модел формування сигналу в піровідиконі.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 28.07.2014 |
| Размер файла | 94,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”
Котовський Віталій Йосипович
УДК 621.397.13:621.384.3
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
ШЛЯХИ Поліпшення характеристик СУЧАСНИХ піровідиконІВ
Спеціальність 05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка
Київ 2004
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі прикладної фізики.
Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Воронов Сергій Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри прикладної фізики.
Офіційні опоненти:
- доктор технічних наук, професор Стороженко Володимир Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізики;
- кандидат технічних наук Микитенко Володимир Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, старший науковий співробітник кафедри оптичних і оптико-електронних приладів.
Провідна установа:Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, кафедра напівпровідникової мікроелектроніки.
Захист відбудеться 14 червня 2004 року о 14.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.08 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 12, аудиторія 114.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий 10.05.2004 року.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Л.Д. Писаренко.
загальна характеристика роботи
Актуальність роботи
Основними характеристиками любого ТВ є просторова і температурна роздільні здатності, які визначають якість тепловізійного зображення.
Просторова і температурні роздільні здатності ТВ визначаються, перш за все, приймачем. Сучасні ТВ використовують фотонні і теплові приймачі. Головними перевагами ТВ з тепловими приймачами є їх відносна невелика вартість, рівномірна спектральна чутливість і можливість роботи без спеціальної системи охолодження. Серед теплових приймачів, які використовуються в ТВ, особливе місце займають піровідикони (ПВ). ПВ є аналогом відикона, в якому чутливим елементом служить мішень, що виготовлена із піроелектричного матеріалу. ТВ на ПВ мають невелику вартість і сумісні з різними телевізійними системами. Для покращення якості зображення таких ТВ необхідно, перш за все, поліпшувати характеристики ПВ.
Цій проблемі присвячена велика кількість науково-дослідних робіт, в яких вирішувались задачі пошуку нових і ефективних піроелектричних матеріалів, удосконалення самого ПВ і його мішені, а також системи модуляції. Таким чином, поліпшення характеристик ПВ шляхом узгодження його параметрів є актуальною задачею, яка стоїть перед теплобаченням.
Зв`язок роботи з науковими програмами, планами і темами
Дисертаційна робота виконувалась в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” в рамках держбюджетних робіт: "Розробка наукових засад проектування систем теплобачення на основі піровідиконів” (номер держреєстрації 0193U030821); "Розробка і дослідження методів поліпшення основних характеристик не охолоджуваного тепловізора” (номер держреєстрації 0196U009606); "Розробка технічних і обчислювальних засобів для реєстрації інформації в оптичному та інфрачервоному діапазонах" (номер держреєстрації 0198U000869); "Розробка програмно-апаратних засобів для моніторингу теплових забруднень біосфери" (номер гос. регистрации (0101U003510); "Розробка наукових засад моделювання твердотільних перетворювачів теплових зображень та обробка термограм" (номер держреєстрації 0100U000661); "Дослідження та розробка принципів побудови теплових сенсорів та систем" (номер держреєстрації 0102U000746), які виконувались при безпосередній участі автора.
Мета і задачі роботи
Метою роботи є поліпшення характеристик ПВ, таких як чутливість, відношення сигнал/шум, роздільна здатність, шляхом узгодження його параметрів і режимів роботи.
Зазначена мета досягається шляхом розв`язання таких наукових задач:
Вибір і обґрунтування характеристик ПВ, які визначають основні узагальнені характеристики ТВ.
Дослідження процесу формування сигналу в ПВ.
Розробка методики розрахунку просторово-імпульсного відгуку ПВ.
Дослідження залежності вихідного сигналу ПВ від параметрів мішені та періоду кадрової розгортки.
Розробка методів узгодження конструктивних параметрів ПВ.
Визначення узгодженої системи параметрів ПВ та розробка методики їх вимірювання.
Об`єкт дослідження - процес формування сигналу в ПВ та основні характеристики і параметри ПВ.
Предмет дослідження - поліпшення характеристик і параметрів ПВ шляхом узгодження його конструктивних параметрів і режимів роботи.
Методи дослідження. Для розв`язання поставлених задач в роботі використовувалися положення теорії лінійних систем, теорії теплопровідності, сучасного математичного апарату, законів зорового сприйняття зображення, комп`ютерні обчислювальні засоби (пакет програм MathCAD 2001).
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:
· Вперше обґрунтований перелік параметрів і характеристик ПВ, що однозначно і достатньо визначають узагальнені параметри ТВ. Запропоновано характеризувати ПВ чутливістю, питомою виявлювальною здатністю, просторово-часовою модуляційною передавальною функцією. Розроблена і реалізована методика визначення характеристик.
· Удосконалена математична модель ПВ, що враховує взаємозалежні фізичні процеси: формування зображення на поверхні піроелектричної мішені; формування температурного, зарядного і потенційного рельєфу мішені; зчитування відеосигналу і вплив на нього фотонних і теплових шумів, вплив режимів зчитування і компенсації потенційного рельєфу. Отримано рішення диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності Фур'є для однорідного ізотропного тіла з крайовими умовами для тонкої необмеженої мішені з джерелами тепла і теплообміном на поверхнях і початковими не нульовими умовами.
· У результаті рішення диференціального рівняння теплопровідності Фур'є отримана аналітична залежність вихідного сигналу ПВ від параметрів теплової сцени, теплофізичних параметрів і електричних властивостей матеріалу піроелектричної мішені, режимів зчитування і джерел фізичних шумів (10).
· Вперше отримано аналітичне вираження імпульсного відгуку ПВ для покадрового режиму зчитування, що дозволило досліджувати вплив фізичних параметрів матеріалу мішені і експлуатаційних режимів на модуляційно-передавальну функцію. На основі теоретичного аналізу отриманого виразу, вперше обґрунтовано існування оптимальних режимів сканування за критерієм найбільшої амплітуди імпульсного відгуку.
· На основі аналізу впливу режимів зчитування, конструктивних параметрів і властивостей матеріалів піроелектричної мішені, запропоновані нові методи узгодження параметрів і режимів роботи ПВ, що поліпшують його характеристики.
Практичне значення одержаних результатів
використання запропонованого переліку параметрів і характеристик ПВ дозволяє робити атестацію ТВ за якісними показниками на етапах моделювання і конструювання.
на отриманих аналітичних співвідношеннях розроблені методики, які дозволяють розрахувати вихідний сигнал ПВ в залежності від його конструктивних параметрів і режимів роботи;
розроблені практичні рекомендації по вибору товщини мішені ПВ в залежності від часу експонування;
запропоновані методики і стендова апаратура для вимірювання параметрів і характеристик ПВ.
Особистий внесок автора полягає в наступному:
обґрунтовані основні параметри і характеристики як самого ПВ, так і в достатній мірі всього ТВ, які використовуються при розробці ;
удосконалена математична модель формування відеосигналу в ПВ і отриманий аналітичний вираз для дослідження просторово-часового імпульсного відгуку ПВ;
розроблені методи узгодження конструктивних параметрів мішені ПВ і режимів зчитування з метою поліпшення характеристик ПВ.
Апробація результатів дисертації
Основні положення, окремі результати роботи доповідались і обговорювалися на 6 наукових конференціях і семінарах: "Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса" (III Всесоюзна конференція, Москва, 1987 р.); "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (4-а Всесоюзна нарада, Барнаул, 1988 р.); "Тепловізійні методи і засоби в науці і техніці” (науково-технічна конференція, Ужгород, 1989 р.); "Горная геофизика" (V Всесоюзний семінар, Тбілісі, 1989 р.), "Проблемы электроники" (XXII Міжнародна конференція, Київ, 2002); "Проблемы электроники" (XXIII Міжнародна конференція, Київ, 2003).
Публікації
За матеріалами дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі 6 статей у фахових наукових журналах і 4 тези наукових конференцій.
Структура та обсяг дисертації
Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Зміст роботи викладено на 140 сторінках основного тексту, вміщує 41 рисунок, 5 таблиць, список використаних джерел - 111 найменувань. Загальних обсяг роботи - 180 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
В першому розділі здійснено аналіз основних характеристик ТВ і приймачів випромінювання, які у них використовуються. Розглянута узагальнена схема ТВ. Основна тенденція сучасного теплобачення полягає в переході від оптико-механічного сканування до електронного. При цьому зменшуються габарити, вага, енергоспоживання та вартість ТВ. Обґрунтовано, що основним елементом ТВ, який визначає його просторову і температурну роздільні здатності, є приймач випромінювання. Це насамперед чутливість (інтегральна, спектральна, частотна), шумовий сигнал, пороговий потік, питома виявлювальна здатність, МПФ.
В якості критеріїв ТВ обрано еквівалентну шуму різницю температур (ЕШРТ), мінімальну роздільну різницю температур (МРРТ) та МПФ.
ЕШРТ, визначається за формулою
, (1)
де - діафрагмове число об`єктива (тут , - фокусна відстань і діаметр вхідної зіниці об`єктива); - інтегральний коефіцієнт пропускання об`єктива в робочому спектральному діапазоні ; - функція Планка; - ефективна шумова смуга пропускання електронного тракту; - площа чутливого елементу.
Із формули (1) випливає, що один із способів зменшення ЕШРТ є використання в ТВ приймачів з високою питомою виявлювальною здатністю . ЕШРТ можна зменшити також за рахунок зменшення шумової смуги . Однак для отримання високого просторового розділення цю смугу необхідно збільшувати. Тому обирається із компромісу між просторовим і температурним розділеннями.
МРРТ, визначається за формулою
, (2)
де - задане відношення сигнал/шум в зображенні міри Фуко на екрані дисплея, яке визначається ймовірністю виявлення штрихів міри; - МПФ ТВ; - частота кадрів; - постійна часу ока;
; (3)
Аналіз формули (2) показав, що зменшити МРРТ можна шляхом:
Використання приймача з великою питомою виявленою здатністю .
Зменшення розмірів чутливого елемента .
Використання ТВ з “широкою” МПФ .
МПФ визначається як
, (4)
де - МПФ об`єктива; - просторова і часова МПФ приймача; - МПФ електронного тракту; - МПФ дисплея.
Дослідження ТВ показали, що в багатьох випадках його МПФ визначається МПФ приймача. Тому для підвищення просторової роздільної здатності ТВ необхідно використовувати приймачі, що мають “широку” МПФ. Це досягається використанням приймачів з малими розмірами елемента розділення і малою постійною часу .
Розглянуто проблеми, які вирішуються в дисертації і їх місце в теплобаченні. Особливу увагу приділено ТВ на ПВ, які належать до тепловізійних систем третього покоління. Наведені основні дані про ТВ, які випускаються серійно.
Проаналізовано особливості роботи сучасних ПВ. Відмічено особливості формування сигналу в ПВ, які не спостерігаються в відиконі.
Обґрунтовано, що ПВ зручно характеризувати чутливістю , шумовим сигналом , постійною часу та МПФ . Наведені формули і сформульовані вимоги до цих характеристик. Запропоновано визначати просторову роздільну здатність ПВ при зменшенні контрасту до величини , виходячи із рівняння .
В другому розділі удосконалена математична модель формування сигналу на основі фізичних процесів перетворення інформації в ПВ. Мішень розглядається як тонка плоскопаралельна пластинка, яка нагрівається за рахунок поглинання ІЧ випромінювання, що надходить від об`єкту спостереження. Температурне поле мішені описується рівнянням теплопровідності, розв`язком якого стало рекурентне співвідношення, що дозволило моделювати зміну температури між сусідніми кадрами
, (5)
де ; (6)
; (7)
; (8)
; (9)
де - коефіцієнт температуропровідності, щільність, питома теплоємкість, товщина і коефіцієнт поглинання мішені відповідно; постоянная Стефана-Больцмана; N номер поля; тривалість поля; енергетична освітленість мішені.
Просторова і температурна роздільні здатності ТВ залежать від МПФ ПВ , яка являє собою нормоване перетворення Фур`є від його імпульсного відгуку . Дослідження цього відгуку дозволило узгодити режим роботи ПВ з метою підвищення його просторової і температурної роздільної здатності. На основі моделі формування відеосигналу в ПВ отримано його просторово-часовий імпульсний відгук, коли тест-об`єктом є точкове джерело випромінювання:
, (10)
де - площа, піроелектричний коефіцієнт і коефіцієнт випромінювання мішені відповідно; площа зображення тест-об`єкту на поверхні мішені; тривалість імпульсу випромінювання тест-об`єкту; коефіцієнт комутаційної інерційності променя; .
Аналіз функції (10) і її графіків показав, що найбільший сигнал формується в першому кадрі (t = 0,08 c) після дії імпульсного джерела випромінювання, якщо елемент зчитування співпадає із зображенням тест-об`єкта (r' = 0). З часом сигнал зменшується і вже в 8 кадрі стає близьким до власних шумів. Тому для підвищення просторової і температурної здатності ПВ необхідно вибирати режим його роботи таким, щоб зчитування відбувалось за перші кадри.
На відміну від відикона, у якого імпульсний відгук є, як правило, позитивним, імпульсний відгук ПВ може бути як позитивним, так і негативним. Це пов`язане з тим, що піроелектричний струм пропорційний до зміни температури мішені.
Очевидно, що для перервної лінії графіка зчитування відбувається в момент охолодження елементарної ділянки мішені після дії імпульсного джерела випромінювання. Для суцільної лінії графіка зчитування відбувається в момент нагрівання елементарної ділянки мішені за рахунок розповсюдження тепла по поверхні мішені.
Із формули (10) була визначена зона на мішені ПВ, при зчитування з якої вихідний сигнал в N-му кадрі буде рівним нулю
. (11)
Наприклад, у другому кадрі () радіус “нульового” кільця .
Найбільший сигнал формується в першому кадрі після закінчення дії імпульсного тест-об`єкта. Заслуговує уваги форма імпульсного відгуку, яка в центрі зображення тест-об`єкта має екстремальне значення. При збільшенні відстані r' від центра цього зображення спостерігається значне зменшення амплітуди сигналу. Якщо , то сигнал стає позитивним з наявністю незначного максимального значення. Іншими словами, на екрані дисплея буде спостерігатися зображення точкового тест-об`єкта у вигляді темного кружка, навколо якого розташоване світле кільце.
Таким чином, специфічні особливості формування вихідного сигналу в ПВ призводять до істотної відмінності його імпульсного відгуку від імпульсного відгуку відикона, що необхідно враховувати розробникам і споживачам ТВ. Крім того, поява сигналу в місцях мішені, де відсутній вхідний сигнал (освітленість тест-об`єкту), призводить до погіршення просторової і температурної роздільної здатності і спотворення зображення в ТВ.
Удосконалена математична модель формування сигналу в ПВ дозволила дослідити процес формування потенціалу мішені на різних етапах роботи ПВ. Для математичного моделювання процесу створення зарядів на поверхні мішені було використано рівняння
, (12)
де U(х', y', t) - напруга на поверхні мішені в точці з координатами (х', у') в момент часу t; - електрична постійна часу; - коефіцієнт електропровідності; Т(х', y', t) - температура мішені в точці з координатами (х', у') в момент часу t. Отримано значення потенціалу мішені на різних етапах формування сигналу: вихідне значення, зчитування, додавання п`єдесталу до сигналу (модулятор відкритий), зчитування, додавання п`єдесталу до сигналу (модулятор закритий), зчитування, додавання п`єдесталу до сигналу (модулятор відкритий).
Розглянуто шумовий сигнал ПВ, який обмежує його поріг чутливості. Отримані формули для розрахунку порогових значень потоку випромінювання, корисного заряду та приросту температури, які еквівалентні шумовому сигналу. Ці формули дозволяють оцінити величини теплового шуму, радіаційного шуму та шуму нагріву мішені електронним променем. Показано, що основним джерелом шуму в ПВ є шум, що виникає при формуванні п`єдесталу.
Проведений аналіз напрямків покращення основних характеристик ПВ.
Сформульовано ряд задач по дослідженню ПВ з метою удосконалення його конструктивних параметрів:
Оцінка взаємного впливу параметрів зчитування.
Узгодження залежності величини потенціалу мішені від часу експонування (нагріву) і товщини активної плівки мішені.
Аналіз окремих етапів формування вихідного сигналу з метою отримання максимального значення сигналу в залежності від конкретного набору конструктивних параметрів ПВ.
В більшості ТВ використовується телевізійний стандарт розкладу зображення. Це дозволяє розробляти і виготовляти ТВ з мінімальними затратами. Але із-за істотних відмінностей фізичних процесів, що відбуваються в ПВ і відиконі при формуванні і зчитуванні корисного сигналу, ТВ, які працюють в телевізійному стандарті, будуть мати не оптимальні параметри. Проаналізовано основні процеси, які відбуваються в ПВ при формуванні вихідного сигналу в режимі модуляції ІЧ випромінювання у відповідності до чергування полів при черезрядковому розкладі. Принциповою особливістю утворення потенціального рельєфу на мішені ПВ, який працює в режимі модуляції ІЧ випромінювання, є зміна полярності потенціалу, що формується.
Для оцінки величини впливу черезрядкової розгортки на ефективність зчитування було визначено ефективність формування сигналу при нормальному режимі розкладу. Показано, що використання в ТВ черезрядкового розкладу при узгоджені полів зчитування з модуляцією ІЧ випромінювання принципово недоцільно. Сигнал у цьому випадку генерується лише за рахунок порушення черезрядкового розкладу. Збільшення розміру апертури електронного променя призводить до збільшення сигналу, але при цьому значно погіршується просторова роздільна здатність. Для підвищення чутливості і роздільної здатності ПВ запропоновано перейти до рядкової розгортки.
У третьому розділі проведено узгодження основних конструктивних параметрів ПВ з режимами його роботи з метою отримання максимального вихідного сигналу. Для цього було використано аналітичну залежність вихідного сигналу ПВ від його параметрів
, (13)
де ; ; ; iл - струм променя зчитування; - крутизна вторинної емісійної характеристики; - питома ємність мішені; vл - швидкість переміщення променя по мішені; Dл - діаметр променя; - глибина потенціального рельєфу відносно середнього потенціалу.
Із виразу (13) видно, що із збільшенням опору навантаження , який підключено до виходу ПВ, величина напруги зростає і при наближається до . Дослідження виразу (13) показали, що для отримання максимальної вихідної напруги опір навантаження бажано збільшувати, враховуючі при цьому зміну відношення сигнал/шум і ширину смуги пропускання відео підсилювача. Однак із збільшенням вихідний струм зменшується, а при малих відношеннях (на практиці це ) вихідний струм не змінюється. У цьому випадку ПВ зручніше розглядати як генератор струму. Залежність вихідного струму від струму променя зчитування визначається залежністю
. (14)
Із залежності (14) випливає, що збільшення струму променя призводить до збільшення вихідного струму ПВ. Аналіз виразу (13) також засвідчує, що для оптимізації режиму зчитування необхідно враховувати крутизну вторинної емісійної характеристики , ємність мішені , швидкість сканування променя по мішені , діаметр променя , залишковий сигнал після зчитування , максимальний струм променя , опір навантаження .
Розглянута взаємна залежність цих параметрів дозволила вибрати такий режим роботи ПВ, при якому досягається максимальний вихідний сигнал. При розробці ПВ важливо знати, як залежить величина потенціалу мішені від часу експонування (нагрівання мішені) tн і товщини мішені. На основі моделі формування сигналу в ПВ було отримано вираз для глибини потенціального рельєфу, який виникає на протязі часу експонування:
, (15)
де - максимальне збільшення температури мішені, що утворюється в результаті теплової рівноваги; - енергетична освітленість мішені; - постійна часу розряду мішені за рахунок власної провідності; ем - абсолютне значення діелектричної проникності мішені; - коефіцієнт, що враховує випромінюючу здатність і поверхонь мішені , і температуру оточуючого середовища.
Дослідження залежності (15) показало, що
Для періоду кадрової розгортки 0,04 с із збільшенням товщини мішені від 0,01 до 0,1 мкм потенціал лінійно збільшується. Це пояснюється тим, що час нагрівання значно перевищу теплову постійну мішені. В діапазоні від 0,1 до 100 мкм ріст потенціалу не спостерігається. В цьому діапазоні теплова постійна перевищує період кадру, а приріст потенціалу за рахунок збільшення товщини мішені компенсується збільшенням постійної часу . В цьому випадку для отримання максимальної глибини потенціального рельєфу товщину мішені слід вибирати в межах від 0,1 до 100 мкм.
Величина потенціалу мішені залежить від часу експонування . Для товщини мішені від 0,01 до 0,1 мкм найбільша величина потенціалу не змінюється в широкому діапазоні часу нагрівання. Для товщини мішені від 1 до 100 мкм спостерігається зростання потенціалу до певного максимального значення при збільшенні часу експонування. Таким чином, значення товщини мішені і часу експонування (нагрівання) взаємозв`язані. Для отримання максимального вихідного сигналу необхідно збільшувати товщину мішені і час експонування. При цьому максимум вихідного сигналу обмежується розрядом мішені.Для узгодження конструктивних параметрів і режимів роботи ПВ отримано вираз для розрахунку вихідного струму ПВ при імпульсному опроміненні мішені, який має вигляд
. (16)
Дослідження функції (16) дозволило встановити, що
Вихідний сигнал ПВ залежить як товщини мішені , так і від тривалості імпульсного опромінення . Для отримання максимального вихідного струму в режимі телевізійного стандарту товщину мішені необхідно вибирати в діапазоні від 0,1 до 1 мкм. Для малокадрового режиму роботи оптимальна товщина мішені знаходиться в межах від 10 до 100 мкм.
Залежність вихідного сигналу від часу експонування має екстремальне значення. При цьому вихідний струм не змінюється із збільшенням часу експонування від 0,01 до 0,3 с при товщині мішені , так як теплова постійна часу цієї мішені набагато менша за час експонування, а тому мішень встигає прогрітися до постійної величини. Для малого часу експонування, що характерно для телевізійного стандарту, вихідний струм спочатку лінійно зростає із збільшенням товщини мішені, а при товщині мішені від 10 до 100 мкм спадає. Таким чином, вибравши певну товщину мішені можна знайти оптимальний час експонування для отримання максимального сигналу, і навпаки.
Існує оптимальна швидкість зчитування потенціального рельєфу, яка залежить від конструктивних параметрів ПВ.
Оптимальна товщина мішені при використанні ПВ в різних режимах роботи складає: для телевізійного стандарту ; для телевізійного стандарту з затримкою ; для малокадрового - .
В четвертому розділі визначена узгоджена система параметрів та характеристик ПВ і розглянуто методики і апаратура для їх дослідження. ПВ, як приймач випромінювання, можна розглядати з двох сторін. З однієї сторони, це передавальна телевізійна трубка типу відикон, а з іншої сторони, це тепловий приймач ІЧ випромінювання, який використовується в тепловізійній апаратурі. Проблеми при виборі системи параметрів і характеристик для атестації ПВ виникають ще й тому, що розробниками ПВ є спеціалісти в галузі вакуумних електронних приладів, а споживачами - розробники тепловізійної техніки.
ПВ, як приймач ІЧ випромінювання, характеризується чутливістю, питомою виявлювальною здатністю, функцією передачі сигналу, шумовим сигналом, інерційністю та МПФ. ПВ, як передавальна трубка типу відикон, характеризується чутливістю, числом роздільних градацій, роздільною здатністю, характеристикою світло - сигнал, рівнем шумів. Додатковими параметрами і характеристиками є робоча освітленість мішені, струм сигналу, нерівномірність сигналу і фону по полю зображення, інерційність, спектральна характеристика, післязображення, геометричні спотворення.
В даний час ще не встановлено оптимальний перелік параметрів і характеристик, які використовуються при атестації ПВ. Розглядаючи ПВ як передавальну трубку, яка використовується в ТВ в якості приймача ІЧ випромінювання, нами пропонується використовувати такі параметри і характеристики для атестації ПВ як інтегральна чутливість, функція передачі сигналу, шумовий сигнал в заданій смузі частот пропускання підсилювача, постійна часу (інерційність), просторова роздільна здатність або МПФ.
Розроблені методики вимірювання МРРТ, МПФ, функції передачі сигналу і температурної чутливості, які ґрунтуються на ГОСТ 18720.15-77, ГОСТ 18720.0-80, ОСТ-44080-82 з урахуванням специфічних особливостей роботи ПВ. Детально розглянуто послідовність вимірювань. Для реалізації цих методів розроблено вимірювальний стенд, який, крім стандартних телевізійних вузлів, має специфічні пристрої: джерело ІЧ випромінювання, блок модулятора випромінювання, блок попередньої підготовки ПВ, блок формування п`єдесталу, генератор рядкової розгортки з лінійним оберненим ходом. Обґрунтовано вимоги до окремих вузлів стенду.
По розробленим методикам проведено експериментальні дослідження основних характеристик ПВ: інтегральна чутливість, модуляційна передавальна функція (МПФ), часовий імпульсний відгук, інерційність, шуми і порогова чутливість.
Отримані значення чутливості складають 1,0-1,3 нА Вт-1м-2. Розкид значень пов`язаний з нестабільністю товщини мішені, з залежністю струму променя від емісійних властивостей катоду, а також інших причин (п. 3.3).
МПФ визначалась як залежність глибочини модуляції сигналу дрібних деталей зображення від просторової частоти. Глибочину модуляції визначали шляхом порівняння струму сигналу від дрібних деталей зображення з струмом ПВ.
У додатках наведено приклади дослідження просторового імпульсного відгуку ПВ, розрахунок похибок, а також документи про використання результатів дисертаційної роботи.
Загальні висновки
1. В дисертації вирішена наукова задача поліпшення характеристик піровідиконів, таких як чутливість, відношення сигнал/шум і роздільна здатність, шляхом узгодження його конструктивних параметрів та режимів роботи.
2. Показано, що для поліпшення узагальнених характеристик ТВ, таких як еквівалентна шуму різниця температур, мінімальна роздільна різниця температур і модуляційна передаточна функція, необхідно використовувати ПВ, які мають малі розміри елемента розкладу і невелику постійну часу.
3. Удосконалена математична модель, яка дозволила дослідити процеси, що відбуваються при формуванні вихідного сигналу в ПВ. Модель враховує взаємозалежні фізичні процеси: формування зображення на поверхні піроелектричної мішені; формування температурного, зарядного і потенційного рельєфу мішені; зчитування відеосигналу і вплив на нього фотонних і теплових шумів, вплив режимів зчитування та компенсації потенційного рельєфу. Отримано рішення диференційного рівняння нестаціонарної теплопровідності Фур'є для однорідного ізотропного тіла з крайовими умовами для тонкої необмеженої мішені з джерелами тепла і теплообміном на поверхнях і початковими не нульовими умовами. На основі цієї моделі отримано аналітичний вираз для просторово-часового імпульсного відгуку ПВ, аналіз якого показав, що вихідний сигнал ПВ істотно відрізняється від сигналу, який формується відиконом. Зображення точкового імпульсного джерела інфрачервоного випромінювання на екрані дисплея являє собою темний кружок, навколо якого розташоване світле кільце. Це призводить до погіршення просторового і температурного розділення тепловізора на ПВ і обумовлює додаткові спотворення в зображенні.
4. Запропоновано методи поліпшення характеристик ПВ. Це, перш за все, оптимізація відношення струму променя зчитування і його діаметра з урахуванням відстані між сусідніми рядками растра, що дозволило збільшити вихідний сигнал ПВ на 60%. Показано, що використання черезрядкової розгортки в телевізійному стандарті не є оптимальним. Оптимальним у цьому випадку є діаметр електронного променя, що дорівнює подвоєній відстані між рядками.
5. Узгодження конструктивних параметрів і режимів роботи ПВ показало, що
5.1. Для тепловізорів на ПВ, які працюють в телевізійному стандарті з затримкою, вважається оптимальною товщина мішені, що дорівнює 35 мкм, для телевізійного стандарту без затримки - 0,3 мкм, для мало кадрового теплобачення - 4 мкм.
5.2. Величина потенціалу мішені залежить від часу експонування. Для товщини мішені від 1 до 100 мкм зі збільшенням часу експонування спостерігається ріст потенціалу мішені. Для отримання максимального вихідного сигналу ПВ необхідно збільшувати товщину мішені до 25 - 35 мкм. При цьому максимум вихідного сигналу обмежується розрядом мішені за рахунок власної провідності.
5.3. Існує оптимальна швидкість зчитування потенціалу мішені, яка залежить від конструктивних параметрів ПВ. Отримані значення цієї швидкості для мішені із ТГС.
6. Запропонована система параметрів і характеристик для атестації ПВ, яка була отримана із розгляду ПВ як теплового приймача ІЧ випромінювання і як телевізійної передавальної трубки типу відикона. Це, перш за все, інтегральна чутливість, шумовий сигнал в заданій смузі частот пропускання підсилювача, постійна часу, просторова роздільна здатність або МПФ, функція передачі сигналу. Для вимірювання цих характеристик розроблені методики і стендова апаратура.
7. Використання запропонованих методів узгодження конструктивних параметрів і режимів роботи ПВ на підприємствах і в установах, які розробляють або застосовують тепловізори на ПВ, показало, що параметри тепловізорів можна поліпшити на 60- 80%.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНІ В ТАКИХ РОБОТАХ
1. Воронов С.О., Котовський В.Й. Перспективи розвитку та застосування тепловізійних систем // Вісті академії інженерних наук України. - 2002. - №1(14). - С. 17 - 19.
Здобувачем проведено огляд розвитку та застосування ПК.
2. Воронов С.О., Котовський В.Й. Використання топологічної моделі зорової системи для об`єктивої оцінки якості піровідиконів // Вісті академії інженерних наук України. - 2002. - №3(16). - С. 38 - 41.
Здобувачем розроблена топологічна модель зорової системи людини, яка застосована у вимірювальному стенді.
3. Воронов С.А., Рабышко В.А., Котовский В.И. К вопросу о метрологическом обеспечении пировидиконов // Электронная техника. - 2002. - №14. - С. 24 - 26.
Здобувачем запропонована система параметрів і характеристик для атестації ПВ.
4. Воронов С.О., Котовський В.Й. Розрахунок поля потенціалу мішені піровідикона // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2002.- № 4(24). - С. 92 - 94.
Здобувачем проведено розрахунок вихідного сигналу ПВ.
5. Воронов С.А., Котовский В.И. Метод объективной оценки качества пировидиконов // Электронная техника. - 2003. - №18. - С. 14 - 16.
Здобувачем розроблена функціональна схема стенду для вимірювання відношення сигнал/шум об`єктивним методом.
6 Котовський В.Й. Просторово-часовий імпульсний відгук піровідикона// Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2003.- № 5(31). - С. 88 - 92.
7. Котовский В.И., Новак Л.Н., Рабышко В.А. Методика и средства измерения эффективности считывания ЭЛТ с сегнетоэлектрической мишенью // III Всесоюзная конференция "Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов и их роль в ускорении научно-технического прогресса", г. Москва. - 1987. - С.49.
Здобувачем проведено аналіз параметрів ПВ, які визначають вихідний сигнал, та розроблено методику вимірювання інерційності ПВ.
8. Котовский В.И., Новак Л.Н., Рабышко В.А. Стенд для контроля и измерения параметров передающих ЭЛТ с сегнетоэлектрической мишенью // 4-е Всесоюзное совещание "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", г. Барнаул. - 1988. - С.207 - 208.
Здобувачем розроблено апаратуру для вимірювання відношення сигнал/шум на виході ПВ.
9. Рабышко В.А., Гордиенко В.Н., Котовский В.И., Проказов А.В. Измерительные системы на основе пироэлектрических приборов // V Всесоюзный семинар "Горная геофизика", г. Тбилиси. - 1989. - С.3- 6.
Здобувачем розроблено блок-схему програмно-вимірювального комплексу на основі ПВ.
10. Котовский В.И., Рабышко В.А. Метрологическое обеспечение ЭЛТ с пироэлектрической мишенью // Научно-техническая конференция "Тепловизионные методы и средства в науке и технике", г. Ужгород. -
1989. - С. 142 - 143.
Здобувачем запропоновано метод вимірювання вихідного сигналу ПВ.
АНОТАЦІЯ
Котовський В.Й. Шляхи поліпшення характеристик піровідиконів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 - “Вакуумна, плазмова і квантова електроніка”. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.
У роботі доведено, що для підвищення просторової і температурної роздільної здатності тепловізорів необхідно використовувати приймачі випромінювання, які мають високу питому виявлювальну здатність, малі розміри чутливого елемента і невелику постійну часу.
Розроблена математична модель формування сигналу в піровідиконі (ПВ), на основі якої отримано аналітичні вирази для просторово-часового імпульсного відгуку та потенціалу мішені.
Проведено узгодження основних конструктивних параметрів та режимів роботи ПВ з метою отримання максимального вихідного сигналу.
Запропонована система параметрів і характеристик для атестації ПВ.
Ключові слова: тепловізор, піровідикон, математичне моделювання, модель зорового сприйняття, вимірювальний стенд.
АННОТАЦИЯ
Котовский В.И. Пути улучшение характеристик современных пировидиконов. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.02 - “Вакуумная, плазменная и квантовая электроника”. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.
Диссертация посвящена улучшению характеристик пировидикона (ПВ), таких как чувствительность, отношение сигнал/шум и разрешающая способность, путём согласования его параметров и режимов работы.
Анализ тенденций развития современного тепловидения показывает, что несмотря на то, что тепловизионная аппаратура третьего поколения на базе неохлаждаемых твердотельных гибридных матриц постоянно развивается, ТВ на ПВ продолжают выпускаться промышленностью разных стран, широко используются в военном деле, медицине, коммунальном хозяйстве, строительстве, службами спасения, а также в других областях при решении задач термографии и неразрушающего контроля.
В работе проведен анализ характеристик тепловизоров (ТВ) и приемников излучения, которые в них используются. Обосновано, что основным элементом ТВ, который определяет его пространственную и температурную разрешающие способности, является приемник излучения.
Анализ обобщенных критериев оценки эффективности ТВ показал, что для повышения пространственного и температурного разрешений необходимо использовать приемники, которые имеют высокую удельную обнаружительную способность, малые размеры чувствительной площадки и небольшую постоянную времени. Сделан анализ устройства и принципа работы ПВ. піровідикон тепловізор температурний
Усовершенствована математическая модель, позволяющая исследовать процессы, происходящие при формировании выходного сигнала в ПВ. Модель учитывает взаимозависимые физические процессы: формирования изображения на поверхности пироэлектрической мишени; формирования температурного, зарядного и потенциального рельефа мишени; считывания видеосигнала и влияние на него фотонных и тепловых шумов, влияние режимов считывания и компенсации потенциального рельефа. Получены решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности Фурье для однородного изотропного тела с краевыми условиями для тонкой неограниченной мишени с источниками тепла и теплообменом на поверхностях и начальными ненулевыми условиями.
На основе математической модели получено аналитическое выражение для пространственно-временного импульсного отклика ПВ, анализ которого показал, что выходной сигнал ПВ существенным образом отличается от сигнала, который формируется видиконом. Изображение точечного импульсного источника ИК излучения на экране ВКУ представляет собой темный кружок, вокруг которого расположено светлое кольцо. Это приводит к ухудшению пространственного и температурного разделения тепловизора на ПВ и обуславливает дополнительные искажения изображения.
Анализ методов улучшения основных характеристик пировидикона позволил сформулировать ряд задач по усовершенствованию его конструктивных параметров. Это, прежде всего оценка взаимного влияния параметров считывания и согласование зависимости величины потенциала мишени от времени экспонирования и толщины мишени.
Проведено согласование конструктивных параметров ПВ и режимов его работы с целью получения максимального выходного сигнала. При согласовании учитывалась крутизна вторично эмиссионной характеристики, емкость мишени, скорость сканирования луча по мишени, диаметр луча, остаточный сигнал после считывания, сопротивление нагрузки.
Предложена система параметров и характеристик для аттестации ПВ, которые получены из рассмотрения ПВ как теплового приемника ИК излучения и как телевизионной передающей трубки типа видикона. Это, прежде всего, интегральная чувствительность, шумовой сигнал в заданной полосе частот пропускания усилителя, постоянная времени, пространственная разрешающая способность или МПФ, функция передачи сигнала. Для измерения этих характеристик разработаны методы и стендовая аппаратура.
Ключевые слова: тепловизор, пировидикон, математическое моделирование, модель зрительного восприятия, измерительный стенд.
SUMMARY
Kotovsky V.I. Ways improvement features of pyrovidicon. - Manuscript. The thesis for degree of candidate of technical sciences in speciality 05.27.02 - “Vacuum, plasma and quantum electronics”. - National Technical University of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2004.
The dissertation is devoted to increase of the pyrovidicon characteristics (responsivity, signal noise ratio, resolution) by the optimization of the pyrovidicon parameters.
In work the increase of the spatial and temperature resolution of infrared cameras necessary using detectors with high detectivity, small pixel and short time constant is proved.
The mathematics model of the pyrovidicon signal forming was founded. The formulas for calculation of the spatial-time impulse response and the target potential is obtained.
The optimization of the pyrovidicon main parameters and working conditions for obtaining of maximum out signal was made.
The system of parameters and characteristics for testing of pyrovidicon is proposed.
Key words: infrared camera, pyrovidicon, mathematics model, eye perception model, testing device.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Сигнал, фізичний процес, властивості якого визначаються взаємодією між матеріальним об’єктом та засобом його дослідження. Характеристика параметрів сигналу. Параметр сигналу - властивість, яка є фізичною величиною. Інформативні та неінформативні сигнали.
учебное пособие [520,7 K], добавлен 14.01.2009Спектральний аналіз детермінованого сигналу. Дискретизація сигналу Sv(t). Модуль спектра дискретного сигналу та періодична послідовність дельта-функцій. Модулювання носійного сигналу. Амплітудні та фазові спектри неперіодичних та періодичних сигналів.
курсовая работа [775,5 K], добавлен 05.01.2014Ефективне формування ієрархічного ряду цифрових систем. Число каналів і швидкість передачі. Перетворення сигналу в цифрову форму. Вузли кінцевої станції. Апаратура виділення і транзиту. Стабільність параметрів каналів. Передача аналогового сигналу.
лабораторная работа [284,9 K], добавлен 06.11.2016Процес формування сигналу-коду та його перевірка. Ескізне проектування, електрична структурна схема, основні аспекти роботи системи. Розробка моделі на мові VHDL, генерація кодової послідовності, схеми мультиплексорів та реалізація приймача сигналу.
курсовая работа [422,6 K], добавлен 18.09.2010Амплітудно-модульований сигнал. Математична модель модульованого сигналу. Частота гармонічного сигналу-перенощика. Спектральний склад АМ-сигналу. Визначення найбільшої та найменшої амплітуди модульованого сигналу. Максимальна потужність при модуляції.
контрольная работа [369,4 K], добавлен 06.11.2016Реалізація функції логічного множення та складання з наступною інверсією результату. Проведення замірів напруги і сили струму. Визначення потужності, знаходження максимального та мінімального часу проходження сигналу. Визначення часу проходження сигналу.
контрольная работа [1,7 M], добавлен 01.04.2016Проектування каналу збору аналогових даних реальної мікропроцесорної системи, який забезпечує перетворення аналогового сигналу датчика - джерела повідомлень в цифровий код. В такому каналі здійснюється підсилення, фільтрація і нормування сигналу.
курсовая работа [305,8 K], добавлен 18.09.2010Загальна характеристика цифрового телебачення. Структурна схема зовнішнього кодера. Облік часової надмірності. Внутрішнє пересортування і формування модуляційних символів. Принцип роботи блоку обробки цифрового сигналу. Формування модуляційних символів.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 07.05.2012Частотний спектр сигналу. Спектр перетворення Фур'є сигналу. Віконне перетворення Фур'є. Схема заданого нестаціонарного сигналу. Принцип невизначеності Гейзенберга. ВПФ при вузькому та широкому значенні ширини вікна. Сутність ідеї вейвлет-перетворень.
реферат [299,4 K], добавлен 04.12.2010Конструкція і технічні характеристики електронних реле покажчиків поворотів. Визначення переліку пошкоджень і несправних станів передавача: відхилення часових параметрів вихідного сигналу, постійне горіння сигнальних ламп в режимах маневрування.
реферат [51,1 K], добавлен 25.09.2010
