устройство технического контроля в видимом и инфракрасных диапазонах спектра

Формула изобретения

Устройство технического контроля в видимом и инфракрасных диапазонах спектра, содержащее двухспектральную ИК-камеру с оптико-механическим модулятором, эталонным источником температуры, находящимся в тепловом контакте с датчиком температуры, оптико-механический сканер, ИК-объектив, оптически связанный с приемником ИК-излучений, электрический выход которого подключен через блок видеоусилителей к блоку АЦП, выход которого через мультиплексный канал подключен к входу контроллера с блоком визуализации, отличающееся тем, что в ИК-камере оптико-механический сканер установлен последовательно за оптико-механическим модулятором, ИК-объектив снабжен оптикой, просветленной на два спектральных ИК-диапазона, ИК-приемник выполнен двухспектральным, а блок видеоусилителей и АЦП - двухканальными, при этом к первому входу контроллера подключены через мультиплексный канал выходы блока АЦП, дополнительно для контроля в видимом диапазоне спектра и привязки ИК-изображения к объекту съемки включена цифровая видеокамера с полем зрения большим, чем у ИК-камеры, установлена совместно с ИК-камерой таким образом, что их оптические оси близки и поле зрения ИК-камеры находится внутри поля зрения видеокамеры, а выход цифровой видеокамеры соединен со вторым входом контроллера, при этом оптико-механический модулятор выполнен со шторкой, модулирующей излучение от объекта съемки и исполняющей роль эталонного источника температуры абсолютно черного тела, а датчик температуры эталонного источника подключен к третьему входу контроллера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области техники формирования и передачи изображений, в частности к тепловидению, и может быть использовано в авиационных комплексах для дистанционного контроля измерений температурных полей и визуализации различных объектов и фонов.

Изобретение решает задачу создания многоспектрального комплекса технического контроля для визуализации и измерения температурных полей различных объектов в 2-х ИК-диапазонах и наблюдения этих объектов в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Известен тепловизор (см. М.М.Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для приборостроительных Вузов. - Л.: Машиностроение, 1983, с.598, рис.360), содержащий зеркало, объектив, фотоприемник, предусилитель. Причем зеркало установлено перед объективом.

Недостатками данного устройства являются отсутствие привязки уровня сигнала к эталонному источнику (например, черному телу), что не позволяет измерить температуру исследуемого объекта, а также невысокое качество восприятия тепловой картины, особенно при использовании фотоприемника малой чувствительности в условиях нестабильности растра, вызванного не идеальностью вращения зеркала.

Известен тепловизор (патент RU №2012155, 5 H04N 5/33), предназначенный для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации и отображения собственного и отраженного теплового излучения в блоке визуализации. Тепловизор содержит зеркало, объектив, блок светоделения, фотоприемники, датчик положения зеркала, привода, поворотную платформу, эталонный источник, датчик температуры, модулятор, блоки усилителей-преобразователей, блоки выборки, хранения и привязки уровней, аналого-цифровые преобразователи, контроллер, генераторы и формирователи импульсов, регистр и счетчики и видеоконтрольный блок. В данном тепловизоре повышается информативность путем управления величиной поля зрения теплового канала.

Недостатком данного устройства является отсутствие второго теплового канала, работающего в другом спектральном диапазоне, что не позволяет повысить качество теплового изображения объектов различного класса. Увеличение расстояния между элементами в строке ухудшает разрешение в полученном изображении, а значительное уменьшение расстояния вносит существенные искажения в визуализацию тепловых изображений.

Известна тепловизионная система переднего обзора (FLIR), состоящая из двух инфракрасных (ИК) каналов, имеющих разные углы обзора (US Patent, №5,005,083, 1991 г.). Система устанавливается на стабилизированной платформе и включает в себя ИК-каналы широкого и узкого поля обзора, общую систему развертки, преобразователи ИК-сигнала в видеосигнал, устройства синхронизации, панель управления, селектор, устройство слежения, смеситель изображений, генератор служебной информации, видеоконтрольные устройства (монитор, нашлемный индикатор).

Недостатком данной тепловизионной системы является то, что оба ИК-канала регистрируют сигнал в одном спектральном диапазоне и отсутствует видимый канал, что снижает достоверность дешифрирования изображений, отсутствует датчик температур, что не позволяет измерять температуру исследуемых объектов.

Прототипом данного изобретения может служить двухспектральный тепловизор, содержащий эталонный источник, находящийся в тепловом контакте с датчиком температуры, а также два отдельных ИК-канала (см. Ж.Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника применения. М.: Мир, 1988, с.274, с.362, 379).

В устройстве (прототипе), которое является двухканальным, обеспечивается повышенное качество визуального восприятия тепловой картины за счет сопоставления изображений в двух различных спектральных ИК-диапазонах. Однако использование двух отдельных каналов требует применения двух комплектов дорогостоящей германиевой оптики, двух прецезионных сканеров с вращающими зеркальными призмами. Все это увеличивает вес, габариты, потребляемую мощность и стоимость устройства. Из-за выделения тепла ухудшается точность измерения температуры.

В данном устройстве (прототипе) возможно измерение температуры, поскольку привязка осуществляется с помощью датчика температуры эталонного источника (внутреннего абсолютно черного тела).

Однако сигнал термокомпенсации вводится в каждом из измерительных трактов после блока привязки уровня с помощью соответствующих автономных компенсационных каналов, что приводит к появлению дополнительных смещений сигналов (т.е. к ошибкам в измерении температуры) за счет временных дрейфов в термокомпенсационных каналах и неидентичности сигнального и термокомпенсационного каналов для каждого диапазона.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности дешифрирования тепловизионных изображений, полной геометрической идентичности изображений в двух ИК-каналах, повышении точности измерения температуры и повышении точности привязки тепловизионных изображений объектов к месту съемки.

Для достижения этого технического результата в устройстве технического контроля в видимом и инфракрасных диапазонах спектра, содержащем двухспектральную ИК-камеру с оптико-механическим модулятором, эталонным источником (внутреннее абсолютно черное тело), находящимся в тепловом контакте с датчиком температуры, поскольку привязку по температуре осуществляют с помощью датчика температуры эталонного источника, оптико-механический сканер, ИК-объектив, оптически связанный с приемником ИК-излучений, электрический выход которого подключен через блок видеоусилителей к блоку АЦП, выход которого через мультиплексный канал подключен к входу контроллера с блоком визуализации, согласно изобретению в ИК-камере последовательно за оптико-механическим модулятором установлены оптико-механический сканер, затем ИК-объектив, снабженный оптикой, просветленной на два спектральных ИК-диапазона, оптически связанной с двухспектральным ИК-приемником, подключенным через блок двухканального усилителя, двухканальный блок АЦП и далее через мультиплексный канал к первому входу контроллера. В устройство дополнительно для контроля в видимом диапазоне спектра и привязки ИК-изображения к объекту съемки включена цифровая видеокамера с большим, чем в ИК-канале, полем зрения, установленная совместно с ИК-камерой, таким образом, что их оптические оси близки и поле зрения ИК-камеры находится внутри поля зрения видеокамеры, а выход цифровой видеокамеры соединен со вторым входом контроллера. При этом оптико-механический модулятор выполнен со шторкой, модулирующей излучение от внешнего объекта и исполняющей роль эталонного источника температуры абсолютно черного тела, а привязку по температуре осуществляют с помощью датчика температуры эталонного источника, подключенного к третьему входу контроллера. Отличительными признаками заявляемого устройства от указанных выше являются: получение изображений различных объектов в двух инфракрасных спектральных диапазонах и одном видимом, возможность совмещения ИК-изображений с точностью до пикселя, повышение достоверности привязки тепловизионных изображений объектов к месту съемки за счет применения цифровой видеокамеры с большим полем зрения, чем у оптики тепловизионного канала, повышение точности измерения температуры за счет использования оптико-механического модулятора в качестве эталонного источника и за счет использования мультиплексного канала.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана блок-схема заявляемого устройства технического контроля в видимом и инфракрасных диапазонах спектра.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Заявляемое устройство технического контроля в видимом и инфракрасных диапазонах спектра (см. фиг.1) содержит двухспектральную ИК-камеру 1 с оптико-механическим модулятором 10, выполненным со шторкой, модулирующей излучение от объекта съемки и исполняющей роль эталонного источника измерения температуры (внутренне абсолютно черное тело), а привязку по температуре осуществляют с помощью датчика температуры эталонного источника, подключенного к третьему входу контроллера 8. За оптико-механическим модулятором последовательно установлены оптико-механический сканер 2, ИК-объектив с оптикой, просветленной на два ИК-диапазона 3, двухспектральный приемник ИК-излучений 4.а, 4.в, электрический выход которого подключен через двухканальный блок видеоусилителей 5.а, 5.в к двухканальному блоку АЦП 6.а, 6.в, выход которого через мультиплексный канал 7 подключен к входу контроллера и блока визуализации 8.

Кроме того, дополнительно для контроля в видимом диапазоне спектра и привязки ИК-изображения к объекту съемки включена цифровая видеокамера 9 с большим, чем в ИК-канале, полем зрения, установлена совместно с ИК-камерой таким образом, что их оптические оси близки и поле зрения ИК-камеры находится внутри поля зрения видеокамеры, а выход цифровой видеокамеры соединен со вторым входом контроллера.

Работа предложенного устройства, показанного на фиг.1, происходит следующим образом: потоки ИК-излучений от объекта съемки (сплошная линия) попадают в двухспектральную ИК-камеру 1 с оптико-механическим модулятором 10. Шторка модулирует излучение от объекта съемки и исполняет роль источника эталонного ИК-излучения, как показано на фиг.1 (пунктирной линией). ИК-излучения от объекта съемки или от шторки последовательно попадают на оптико-механический сканер 2, механически связанный со шторкой и управляющий очередностью этих потоков. Датчик температуры, измеряющий температуру оптико-механического модулятора, выступающего в качестве эталонного источника, подключен к третьему входу контроллера и блока визуализации 8, выполненных на базе ПЭВМ. Оптико-механический сканер состоит из двух колеблющихся зеркал, осуществляющих развертку в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Движение зеркал взаимно синхронизировано. Объектив с оптикой, просветленной на два спектральных ИК-диапазона 3, например, на 3-5 мкм и 8-14 мкм, фокусирует потоки излучения в плоскость расположения двух чувствительных элементов ИК-приемника 4.а, 4.в, которые преобразуют потоки излучения в электрические сигналы для каждого спектрального диапазона отдельно, образуя два параллельных канала.

Малое количество преломляющих и отражающих поверхностей в оптической схеме обеспечивает высокую чувствительность и простоту настройки заявляемого устройства. Калибровка выходных данных по температуре и привязка по уровню черного осуществляется по двум ИК-каналам одновременно. Малая потребляемая мощность (менее двух ватт) и в связи с этим незначительный нагрев элементов корпуса устройства также обеспечивают высокую временную стабильность параметров.

Электрические сигналы каждого спектрального диапазона (канала), пропорциональные излучению от объекта съемки и оптико-механического модулятора 10, последовательно усиливаются в блоке двухканального видеоусилителя 5.а, 5.в, преобразуются в цифровой код и взаимно компенсируются в двухканальном блоке АЦП 6.а, 6.в. Далее преобразованные сигналы каждого канала поступают на мультиплексный канал 7. Такая схема построения позволяет максимально устранить дрейф уровня черного в обоих каналах и совместить изображения объекта съемки в двух спектральных диапазонах с точностью до пикселя. Мультиплексный канал 7, созданный на основе микропроцессоров, организует передачу данных с двухканального блока АЦП 6а., 6.в в контроллер 8 по одному каналу. Контроллер 8 обеспечивает управление устройством технического контроля, синхронизацию разверток оптико-механического сканера, установку усиления тракта видеосигнала, коррекцию геометрических искажений. Поток видимого излучения поступает на цифровую видеокамеру 9, преобразуется в цифровой код, который поступает на контроллер 8 и блок визуализации, где по определенной программе одновременно отображаются: в одном из окон блока визуализации (ВКУ) 8-видимое изображение, а в двух других - ИК-изображения, полученные по двум спектральным ИК-диапазонам. Практически все функции управления устройством технического контроля производят через контроллер 8 из пакета программного обеспечения: запись, обработку термограмм, визуализацию на ВКУ, а также синхронизацию ИК-изображений с изображениями, полученными встроенной цифровой видеокамерой 9.

Оптика цифровой видеокамеры имеет большее поле зрение, чем оптика ИК-канала, поле зрения ИК-камеры находится внутри поля зрения видеокамеры, в связи с чем повышается достоверность привязки ИК-изображений к объекту съемки.