Узагальнена схема тепловізійного пристрою
та аналіз її складових
Тепловізійні системи призначені для виявлення, розпізнавання та дослідження теплоконтрастних об’єктів шляхом перетворення інфрачервоного розподілу яскравості з площині предметів у видиме зображення на екрані дисплея.
Рисунок 1 - Схема тепловізора
Джерело випромінювання характеризується як просторовими (геометричними розмірами), так і енергетичними (поверхнева густина випромінювання або випромінювальна здатність) параметрами.
Атмосфера – це проміжне середовище між джерелами випромінювання та тепловізійною системою. Вікна прозорості атмосфери:  .
В атмосфері відбувається зміна параметрів випромінювання об’єктів та фонів за рахунок розсіювання і поглинання. Поглинання зумовлене взаємодією електромагнітного поля з молекулами води та вуглекислого газу, а розсіювання пов’язане з наявністю скупчення молекул атмосферних газів, частинок пилу та крапельок води.
Оптична система тепловізійного пристрою виконує дві основні функції: формує зображення за допомогою інфрачервоного об’єктива та здійснює сканування.
До основних характеристик оптичної системи належать:
- відносний отвір;
- поле зору;
- миттєве поле зору;
- збільшення;
- величина кружка розсіювання (роздільна здатність); найбільш повною характеристикою просторової роздільної здатності є модуляційна передаточна функція.
Інфрачервоний об’єктив має бути світлосильним, оскільки випромінювання досить слабке, але в той же час забезпечувати відповідну якість зображення. Особливістю проектування ІЧ об’єктива є те, що за рахунок великого відносного отвору наявні значні аберації, а при збільшенні кількості лінз зменшується коефіцієнт пропускання оптичної системи в цілому. При оптимізації розрахованої на мінімум сферичної аберації оптичної системи ІЧ об’єктива спочатку потрібно виправляти такі аберації, як кривизна поля та астигматизм, а потім спотворення, подібні комі, які змінюються пропорційно до квадрату апертури, і нарешті зменшувати помилки сферичної аберації на осі шляхом встановлення фотоприймача в площині найкращого встановлення.
При проектуванні ІЧ ОЕС (інфрачервоної оптико-електронної системи) неможливо розглядати оптичну систему окремо від системи сканування, оскільки обидві ці системи тісно пов’язані, тобто вибір другої значно впливає на роботу першої і навпаки.
Сканування - це послідовне проглядання (розгортка) порівняно великого поля огляду малим миттєвим кутовим полем з метою отримання електричного сигналу, миттєві значення якого пропорційні значенням того параметра поля, що досліджується. Сканування може бути одноелементне, паралельне, послідовне та комбіноване, а спосіб отримання теплового зображення залежить від типу приймача випромінювання.
Скануючі системи можна також розділити на два типи в залежності від того, як здійснюється сканування - у збіжних чи у паралельних променях. Системи сканування в паралельному пучку складаються з оптичного відхиляючого пристрою (наприклад, дзеркала), розташованого перед ІЧ об’єктивом. Системи сканування у збіжному пучку променів містять скануючий елемент, який розташований між ІЧ об’єктивом та приймачем випромінювання.
До особливостей габаритного розрахунку оптичних схем скануючих ТП, які працюють з охолоджуваними фотоприймачами, належить необхідність усунення ефекту Нарциса (явище полягає в тому, що елементи приймача випромінювання “відчувають” власні холодні поверхні на фоні більш теплого оточення) та ефекту “затемнення” (впливає на зображення аналогічно він’єтуванню; виникає внаслідок потрапляння в поле зору приймача випромінювання елементів конструкції оптичної системи).
Приймач випромінювання перетворює оптичні сигнали в електричні. Розрізняють теплові (енергія оптичних квантів у результаті різноманітних процесів передається атомам або молекулам речовини, які починають швидше рухатися) та квантові (енергія оптичних квантів, що поглинається, передається електронній підсистемі речовини детектора) приймачі випромінювання. Хоча на сьогодні є тенденція до використання болометричних неохолоджуваних матриць, все ж найбільш перспективними з погляду досягнення максимальних значень чутливості та роздільної здатності залишаються фотоприймачі на базі вузькощілинних напівпровідників CdHgTe і InSb, а тому модуль приймача випромінювання, як правило, складається з власне фотоприймача та пристрою охолодження.
Підсилювач відеосигналу призначений для підсилення вихідного електричного сигналу приймача випромінювання. Сигнал з приймача випромінювання надходить на підсилювач через вхідний узгоджувальний ланцюг, вибір параметрів якого дозволяє підвищити відношення сигнал/шум. Основні характеристики підсилювача – коефіцієнт підсилення, смуга пропускання, рівень власного шуму, динамічний діапазон.
Блоки аналогової та цифрової обробки сигналу призначені для виділення інформації із суміші корисного сигналу від об’єкта та шуму і представлення її в формі, зручній для сприйняття оператором на екрані відеооглядового пристрою (наприклад, псевдокольорове кодування, оконтурювання об’єктів).
Відеооглядовий пристрій (дисплей, індикатор) призначений для перетворення часового електричного відеосигнала в просторовий розподіл яскравості екрана, що відповідає розподілу теплових полів в площині спостереження. Формування зображення у відеооглядовому пристрої відбувається синхронно з роботою аналізатора зображення та блоку розгортки зображення.
Оператор – це людина, яка за допомогою очей сприймає розподіл яскравості на екрані відеооглядового пристрою, тому при проектуванні тепловізійних систем слід враховувати закони зорового сприйняття, а саме: частотно-контрастну характеристику ока, інерційність зору, просторове інтегрування, спектральний склад світіння екрану.
| 
