Способ выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников сканирующих линеек тепловизоров

 

Изобретение относится к области тепловидения, технике визуализации изображений, формируемых многоэлементными фотоприемниками как видимого, так и ИК-диапазонов длин волн. Способ выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников включает формирование эталонных сигналов, деление сигнала от объекта с выхода фотоприемника на соответствующий этому фотоприемнику эталонный сигнал, формирование в результате деления преобразованного видеосигнала для подачи его на видеоконтрольное устройство. Новым в способе является суммирование сигналов вдоль каждой строки тепловизионного кадра, сглаживание полученной последовательности суммарных сигналов в направлении кадровой развертки, формирование для каждой строки корректирующего сигнала путем деления сглаженного суммарного сигнала данной строки на соответствующий этой строке суммарный сигнал и формирование выровненного сигнала каждой строки посредством умножения корректирующего сигнала каждой строки на соответствующий строчный видеосигнал с выхода фотоприемника. Технический результат состоит в повышении точности выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников различного типа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области тепловидения, технике визуализации изображений, формируемых многоэлементными фотоприемниками как видимого, так и ИК-диапазонов длин волн.

Известны способы для выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников [1, 2] , использующие специальный встроенный в тепловизор опорный источник излучения. Выравнивание осуществляется путем анализа откликов всех фоточувствительных элементов при их одновременной засветке опорным источником излучения и нахождения корректирующих коэффициентов для сигналов от каждого фотоприемника относительно наилучшего.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ [2] , заключающийся в одновременной засветке всех фотоприемников опорным источником, последовательной записи эталонных откликов фотоприемников в запоминающее устройство, делении сигнала с выхода фотоприемника от объекта на соответствующий этому фотоприемнику эталонный сигнал. Полученный в результате такого деления видеосигнал свободен от влияния разброса чувствительности отдельных фотоприемников.

Известное техническое решение устройства для выполнения предложенного способа осуществлено в быстродействующем анализаторе тепловых полей [2], который, кроме обычных для тепловизора систем фокусировки и сканирования, многоэлементного фотоприемника, схемы коммутации и усиления сигнала, а также видеоконтрольного устройства, дополнительно содержит эталонный излучатель и систему автоматической коррекции каналов, состоящей из переключателя, схемы управления, оперативного запоминающего устройства и блока нахождения отношения сигналов.

Недостатком известных способа и устройства для его осуществления является то, что они не обеспечивают высокую точность коррекции каналов многоэлементного фотоприемника. Это объясняется тем, что рабочая точка на засветочной характеристике фотоприемника соответствует температуре наблюдаемой сцены, в то время как температура встроенного в тепловизор опорного источника может иметь другую, значительно отличающуюся величину, поэтому чувствительность фотоприемника при его засветке опорным источником и тепловым полем реальной сцены в общем случае разная из-за нелинейности засветочной характеристики фотоприемника. При этом принципиально неустранимы ошибки корректировки чувствительности фотоприемников разных каналов, поскольку корректируются значения чувствительности, не соответствующие температуре реальной сцены.

Другим недостатком известного способа и устройства является необходимость наличия в оптической части тепловизоров встроенного опорного источника равномерного излучения, что влечет за собой невозможность создания универсального компенсатора неравномерной чувствительности модульного типа, способного работать с максимально возможной номенклатурой тепловизионных систем.

Целью изобретения является повышение точности выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников различного типа и получение приемлемого для решения практических задач качества тепловизионного изображения за счет использования вместо опорного источника непосредственно теплового поля наблюдаемой сцены.

Поставленная цель достигается тем, что при способе выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников, включающем формирование эталонных сигналов, деление сигнала от объекта с выхода фотоприемника на соответствующий этому фотоприемнику эталонный сигнал, формирование в результате деления преобразованного видеосигнала для подачи его на видеоконтрольное устройство, согласно изобретению производится суммирование сигналов вдоль каждой строки тепловизионного кадра, полученная последовательность суммарных сигналов сглаживается в направлении кадровой развертки и формируется соответствующая последовательность сглаженных суммарных сигналов, для каждой строки вырабатывается корректирующий сигнал в результате деления сглаженного суммарного сигнала данной строки на соответствующий этой строке суммарный сигнал, результирующий выровненный сигнал формируется посредством умножения корректирующего сигнала каждой строки на соответствующий строчный видеосигнал с выхода фотоприемника.

Поставленная цель достигается также тем, что сглаживание последовательности суммарных сигналов вдоль кадровой развертки осуществляется посредством замены каждого элемента последовательности на значение суммы соседних с ним элементов на фиксированном интервале L, длина которого должна обеспечивать статистически значимое усреднение (L20).

Поставленная цель достигается также тем, что в случае выхода из строя какого-либо фотоприемника в качестве выходного сигнала дефектного фотоприемника коммутируется выходной сигнал ближайшего к нему на линейке фотоприемника.

Обоснование технической эффективности данного способа основывается на следующих положениях. Информация об изображении на тепловизионном кадре (сигнале) описывается двумерной матрицей U^вы_ij^х , где - номер строки, - номер элемента разложения в строке. Выходной сигнал фотоприемника U^вы_ij^х условно можно записать в виде U^вы_ij^х = C_iU_ij (1) где C_i - величина, пропорциональная чувствительности i-го фотоприемника. В соответствии с предложенным способом сначала вычисляются значения строчных сумм S_i Деление на общее число слагаемых для получения среднего сигнала по строке здесь излишне, поскольку этот коэффициент в дальнейшем при делении сократится.

Вследствие случайного разброса в чувствительности C_i фотоприемников последовательность строчных сумм имеет случайную высокочастотную модуляцию. Для ее устранения эта последовательность сглаживается (в направлении кадровой развертки) на скользящем интервале L и формируется новая сглаженная последовательность строчных сумм Полученная сглаженная последовательность строчных сумм практически не зависит от высокочастотной модуляции, вызванной неоднородностью чувствительности фотоприемников.

Далее для каждой строки формируется корректирующий сигнал K_i в результате деления сглаженного суммарного сигнала на соответствующий строчный суммарный сигнал Результирующий выровненный сигнал на каждой строке формируется посредством умножения корректирующего сигнала K_i на текущий выходной сигнал U^вы_ij^х = C_iU_ij фотоприемника

Видно, что в результате коррекции результирующий строчный сигнал не зависит от чувствительности C_i данного фотоприемника (C_i сократилось), т.е. фактически произведено выравнивание неравномерной чувствительности фотоприемников.

В случае использования тепловизоров с многоканальным сканированием линейкой по площади изображения значения корректирующих сигналов K_i можно усреднить по всем сканам, чем обеспечивается равномерное усреднение по всей площади тепловизионного изображения и практическая независимость от сюжета наблюдаемого изображения.

Именно заявленное суммирование сигналов вдоль каждой строки тепловизионного кадра, сглаживание полученной последовательности суммарных сигналов в направлении кадровой развертки, формирование для каждой строки корректирующего сигнала путем деления сглаженного суммарного сигнала данной строки на соответствующий этой строке суммарный сигнал и формирование выровненного сигнала каждой строки посредством умножения корректирующего сигнала каждой строки на соответствующий строчный видеосигнал позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Наличие новых операций над материальным объектом в способе, а в устройстве наличие новых связей между его элементами в совокупности с целью являются признаками, характеризующими объект как изобретение и его изобретательский уровень.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников; на фиг. 2а,б приведена иллюстрация работы способа выравнивания по тестовому изображению зашумленного однородного теплового поля; на фиг. 3а,б - иллюстрация работы способа выравнивания по реальному изображению.

Устройство для выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников сканирующих линеек тепловизоров (фиг. 1) содержит согласующее устройство 1, синхронизатор 2 (первый выход 24, второй выход 25, третий выход 26, четвертый выход 27), процессор 3, состоящий из однокристальной ЭВМ 6 (первый вход 18, второй вход 19, первый выход 17, второй выход 20, третий выход 21, четвертый выход 22, пятый выход 23), постоянного запоминающего устройства ПЗУ 4 и оперативного запоминающего устройства ОЗУ 5, кроме того, устройство содержит сумматор строки 7, счетчик адреса строк 8, счетчик адреса столбцов 9, коммутаторы адреса 10 и 11, второе ОЗУ 12, третье ОЗУ 13, четвертое ОЗУ 14, коммутатор дефектных строк 15, умножитель 16.

Устройство работает следующим образом.

Входным сигналом устройства является цифровой сигнал, подаваемый по кабелю от стандартного тепловизора со схемы АЦП коммутатора выходных сигналов фотоприемников. Согласующее устройство 1 усиливает и согласовывает со входом сумматора строки 7, который для каждой строки формирует суммарный сигнал в соответствии с формулой (2). Сформированная таким образом последовательность суммарных сигналов записывается в ОЗУ 5 процессора 3. В однокристальной ЭВМ 6 с помощью программы, зафиксированной в ПЗУ 4, осуществляется сглаживание последовательности суммарных сигналов в соответствии с формулой (3) и формируется последовательность сглаженных суммарных сигналов Далее для каждой строки вычисляются корректирующие сигналы K_i в соответствии с формулой (4).

Коммутаторы 10 и 11 работают поочередно. Если один из них, например коммутатор 10, в соответствии с управляющим сигналом от ЭВМ 6 коммутирует адрес из ЭВМ 6 для записи коммутирующего сигнала в ОЗУ 13, то другой коммутатор 11 в это время коммутирует текущий адрес строки из счетчика адреса строки 8 в ОЗУ 14 ранее записанного (на предыдущем кадре) по этому адресу значения корректирующего сигнала, который подается на умножитель 16. Таким образом формирование выровненного сигнала на выходе умножителя 16 производится с использованием корректирующих сигналов, полученных за предыдущий кадр, и текущего сигнала, поступающего с выхода согласующего устройства 1 через коммутатор 15. В течение следующего кадра коммутаторы 10 и 11 функционально меняются местами: новые корректирующие сигналы из ЭВМ 6 записываются через коммутатор 11 в ОЗУ 14, а формирование выровненного видеосигнала производится с использованием старых корректирующих сигналов, записанных в ОЗУ 13 за время предыдущего кадра, и т.д. Наличие двух таких коммутаторов исключает эффект мелькания изображения на экране видеоконтрольного устройства. В случае выхода из строя какого-либо фотоприемника, по значению соответствующей этому неисправному фотоприемнику строчной суммы ЭВМ 6 вырабатывает управляющий сигнал на коммутатор 15, который коммутирует вместо текущей i-й строки соседнюю (i-1) строку, запомненную в ОЗУ 12.

Использование предлагаемого способа выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников и конструкции устройства позволяют повысить точность выравнивания по сравнению с существующими тепловизионными системами. Экспериментальные исследования показали, что использование данного способа обеспечивает однородность чувствительности по всему температурному полю с погрешностью не хуже 1% при искусственно вводимом разбросе чувствительности фотоприемников порядка 100%. На фиг. 2а представлено изображение на выходе тепловизора без выравнивания (при предъявлении ему равномерного поля) при указанной неравномерности чувствительности и двух выбитых фотоприемниках. На фиг. 2б представлен результат выравнивания, количественная оценка погрешности выравнивания в данном случае составила 0,5%. На фиг. 3а,б представлен результат использования предлагаемого способа по реальному изображению. Кроме того, использование предлагаемого способа и устройства выравнивания позволит значительно уменьшить стоимость тепловизоров и увеличить процент годности дорогостоящих фотоприемных элементов за счет существенного снижения требований к разбросу чувствительности при их изготовлении.

Источники информации
1. Горковенко А. Ф. и др. Тепловизионная система "Радуга". Электронная промышленность, 1983, N 6, с.16-17.

2. Авт. св. N 1454050.

Формула изобретения

1. Способ выравнивания неравномерной чувствительности фотоприемников сканирующих линеек тепловизоров, заключающийся в том, что построчно разлагают видеосигнал с выходов фотоприемников, отличающийся тем, что видеосигналы с выхода каждого фотоприемника суммируют вдоль каждой строки, сглаживают полученную последовательность суммарных сигналов в направлении кадровой развертки, для каждой строки вырабатывают корректирующий сигнал путем деления сглаженного суммарного сигнала для данной строки на соответствующий этой строке суммарный сигнал, формируют результирующий выравненный сигнал на каждой строке посредством умножения видеосигнала строки с выхода фотоприемника на соответствующий корректирующий сигнал.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сглаживание последовательности суммарных сигналов в направлении кадровой развертки осуществляют посредством замены каждых значений суммарных сигналов, полученных на интервале времени формирования строк, число которых соответствует количеству фотоприемников на линейке тепловизора, на значение суммы соседних с ним значений суммарных сигналов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выходе из строя какого-либо фотоприемника из линейки тепловизоров видеосигнал дефектного фотоприемника получают путем коммутации видеосигнала ближайшего к нему фотоприемника из линейки тепловизоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3