Тепловизор в терагерцевом диапазоне

где е = 20,9 рад/с² -- угловое ускорение, необходимое для достижения скорости 0,42 рад/с за время 0,02 с.

Для реального двигателя момент сил нужно рассчитывать, зная момент инерции его ротора, но он, как правило, на порядки меньше момента инерции нагрузки. Исходя из этих данных была предложена математическая модель программы управления шаговым двигателем быстрого зеркала для обеспечения необходимой скорости сканирования. Исходя из того, что ротор шагового двигателя поворачивается только на определенный угол, а скорость вращения определяется частотой импульсов, получено следующее выражение для интервала равноускоренного движения:

где Дtn -- временной интервал между импульсами, n -- порядковый номер импульса, Дб --минимальный угол поворота шагового двигателя, E -- угловое ускорение. Графики зависимости скорости и угла поворота шагового двигателя от времени для ускорения е = 20,9 рад/с², представлены на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8. Графики зависимости скорости и угла поворота от времени. Д -- зависимость скорости от времени; о -- зависимость угла поворота от времени

Таким образом, мы можем получить одну строчку кадра за время, 200 мс с двумя участками равноускоренного вращения зеркала по ~20 мс каждый и с участком равномерного ~160 мс, и кадр за 10 с.

2.4 Блок управления с системой обработки сигналов и визуализации поля теплового излучения

Блок управления с системой обработки сигналов и визуализации поля теплового излучения создан на базе персонального компьютера. Он соединен с микропроцессором тракта промежуточной частоты аппаратным интерфейсом SPI, а также передает информацию с аналого-цифровых преобразователей, следящих за положением сканирующей системы. Сигнал с видеодетекторов поступает на 8 разрядные аналого-цифровые преобразователи канала видеосигнала и далее цифровая информация через контроллер вводится в персональный компьютер. Считывание информации осуществляется с частой около 10кГц, синхронизированной с частотой вращения отражателя, что соответствует 500 точкам изображения за один оборот отражателя. Всего в кадре содержится около 2*10⁴ точек. Со сканера в канал синхронизации поступают синхронизирующие импульсы, отмечающие начало каждого оборота и синхронизирующие импульсы начала кадра. По кадровому синхронизирующему импульсу закрывается массив данных кадра изображения и вырабатывается сигнал разрешения на формирование нового массива данных о видеосигнале. Этот массив начинает формироваться по приходу очередного синхронизирующего импульса начала оборота отражателя. Синхронизирующие импульсы начала оборота отражателя используются для синхронизации моментов считывания сигнала в видеоканале.

С целью настройки установки программное обеспечение позволяет просматривать в реальном времени в графическом интерфейсе запись видео информации в массив данных. Тем самым в процессе настройки возможен выбор динамического диапазона яркости кадра. Кроме того, этот режим позволяет выявлять источники избыточного шума и помех.

Перед построением изображения полученная видео информация подвергается цифровой обработке с целью устранения или ослабления шумов и помех. Одним из источников помех являются электрические колебания на промышленной частоте. Прямым Фурье преобразованием в диапазоне частот до 3 кГц выявляются компоненты вызванные наводкой промышленной частоты 50 Гц и ее гармониками. После их устранения сигнал восстанавливается обратным Фурье преобразованием.

Шумы в полосе видео детектора составляют другой источник помех. Поскольку частота считывания информации не ограничивает разрешающую способность прибора, снижение шумов можно добиться усреднением данных по 3 или 5 соседним точкам. Программой предусмотрены такие режимы усреднения.

Серьезную помеху создает шумоподобный дрейф напряжения на выходе видеодетектора. Снизить его величину позволяет накопление видео сигнала по различным кадрам. Это накопление можно осуществить, т.к. разбиение по полю, благодаря синхронизации моментов считывания с разверткой сканера, идентично для всех кадров. В результате такого режима работы удается повысить чувствительность и контрастность статических или медленно меняющихся изображений.

Цифровая обработка кадра осуществляется параллельно с приемом следующего кадра и экспозицией предыдущего. Обновление кадра производится автоматически после его цифровой обработки.

2.5 Программа построения теплового изображения

Программа построения теплового изображения предназначена как для обеспечения работы прибора в режиме визуализации, так и для настройки, тестирования и калибровки отдельных узлов тепловизора и всего устройства в целом. Она состоит из программных блоков, управляющих режимами:

- настройки

- калибровки

- считывания и хранения видео информации

- цифровой обработки информации

- построения изображения.

Режим настройки применяется при сборке тепловизора и достижения согласованной работы его узлов.

Режим калибровки предназначен для определения и задания необходимых параметров, позволяющих правильно интерпретировать видео сигнал с целью построения изображения.

В режиме считывания и хранения видео информации осуществляется отображение видео информации в реальном времени на экране монитора и ее запись в файл данных.

Режим цифровой обработки информации позволяет проводить временную и спектральную фильтрацию видео сигнала с целью снижения влияния синхронных и импульсных помех.

В режиме построения изображения используются калибровочные параметры и настройки, установленные в других режимах работы. В этом режиме в реальном времени тепловое изображение отображается на экране монитора.

Особенности разработанной программы построения теплового изображения.

Программа построения теплового изображения написана на языке программирования Borland Delphi 6.0.

Программа управляет процессом обмена информацией между регистрирующим устройством и персональным компьютером.

Пользовательский интерфейс выполнен в многооконном диалоговом режиме.

Описание программы построения теплового изображения.

В диалоговом окне программа предлагает выбрать режим работы.

В режиме настройки на экран монитора выводится в реальном времени график зависимости от времени напряжения видеосигнала, пропорционального яркости изображения. В этом режиме осуществляется настройка на оптимальную мощность гетеродина субмиллиметровых смесителей, подбирается оптимальное смещение, производится фокусировка оптической схемы, устраняются причины синхронных и импульсных помех. Также в этом режиме методом трех отсчетов измеряется шумовая температура смесителей, контролируется необходимый уровень чувствительности. Помимо графика не экран монитора выводится информация о величине сигнала и результат расчета шумовой температуры смесителей.

В режиме калибровки формируется таблица соответствия сигналов с датчиков углов поворота сканера с точками на поле изображения. Механический сканер проходит поле теплового изображения по двум координатам, фокусируя оптическую систему последовательно на точках изображения. Для увеличения скорости сканирования перемещение точки наблюдения происходит в результате вращения отражающего зеркала вокруг прецессирующей оси вращения. Траектория движения точки фокусировки по полю изображения определяется углами наклона нормали зеркала к оси вращения и углом прецессии. Эти величины измеряются по прохождению луча лазера через отражающую систему и в качестве параметров вносятся в компьютер.

Режим считывания и хранения информации может включаться параллельно с другими режимами работы. В этом случае запрашивается имя файла для хранения информации, этот файл открывается или создается. Данные заносятся параллельно с выводом видео информации или построением изображения на мониторе. При этом можно задавать один из двух режимов хранения - до цифровой обработки видео сигнала или после неё. В первом случае оцифрованный сигнал с видео датчиков непосредственно заносится в память компьютера, во втором запоминается результат обработки видео информации. Формат данных - последовательность чисел, показывающих яркость элемента изображения. Порядок записи чисел отражает последовательность сканирования изображения. В начале файла заносятся параметры необходимые для восстановления изображения.

Цифровая обработка информации производится с помощью трех функций.

Для снижения влияния импульсных промышленных помех можно вводить режим усреднения по 3-5 последовательным точкам изображения. Это эквивалентно методу аналогового интегрирования сигнала по времени. При этом несколько снижается пространственное разрешение, но улучшается отношение сигнал/шум.

Снижение помех на низких частотах (прежде всего сетевых помех и помех от механических вибраций) производится прямым и обратным Фурье преобразованием. На выбранном промежутка времени определяется спектр сигнала. Этот спектр в виде спектральной диаграммы выводится на экран монитора. Оператор может задать участки частотного диапазона, подлежащие исключению при обратном Фурье преобразовании. После задания этих параметров можно вернуться в режим построения изображения, где заданный режим настройки сохранится.

За время прохождения кадра оцифровывается около 2 тысяч точек. Чтобы изображение на экране монитора выглядело непрерывным, вокруг каждой точки задается область, яркость которой пропорциональна яркости центральной точки, но убывает по закону Гаусса по мере удаления от нее. Задавая параметры распределения Гаусса можно достичь непрерывности изображения по всему полю. Эти параметры также сохраняются при переходе к построению изображения.

Режим построения изображения является основным при эксплуатации прибора. В этом режиме используются параметры, определенные и заданные в других режимах работы. Также возможно изменение этих параметров непосредственно из режима построения изображения с непрерывным отслеживанием результатов этих изменений по формируемому тепловому изображению.

Глава 3. Исследование условий получения теплового изображения объектов в ММ и СММ диапазоне

С помощью экспериментальной установки для измерений при криогенных температурах физических характеристик полупроводниковых и сверхпроводниковых смесителей и исследования условий получения теплового изображения в СММ диапазоне длин волн проведены исследования по прохождению миллиметрового и субмиллиметрового излучения через различные препятствия и возможность получения теплового изображения объектов в этом диапазоне длин волн. На Рис.3.1 - 3.8 приведены некоторые из полученных изображений, а также построены зависимости распределения яркости по полю кадра излучения на частоте 250 ГГц. Рис. 3.1-3.6 отличаются материалом использованных экранов. На всех из них изображён один и тот же объект - металлический стержень с резиновым покрытием на фоне поверхности с температурой на 30^о ниже комнатной. Характерно, что линейные размеры изображения одинаковы на всех кадрах. На Рис. 3.7, 3.8 представлены изображения полоски пластика толщиной 2мм и шириной 2,5см. Вдоль правого края на ширину 5мм был нанесён тонкий слой графита. Видно, что структура предмета получена с разрешением около 5мм. Кадр на Рис.3.8 был получен сквозь поролоновый экран от пластиковой полоски, расположенной на фоне поверхности нагретой до 40^оС.

О поглощении материала следует судить по контрастности кадра. Наибольшее поглощение В результате показано, что все выбранные материалы непрозрачные для видимого и ИК излучения, пропускают субмиллиметровое излучение без заметного рассеяния и не препятствуют правильному формированию изображения. О поглощении материала следует судить по контрастности кадра. Наибольшее поглощение наблюдается в материалах активно адсорбирующих воду (фанера).

С целью определения возможности применения СММ тепловизоров в системах дистанционного контроля человека для определения скрытых под одеждой опасных предметов: взрывчатки, холодного и огнестрельного оружия, было проведено сканирование поверхности человеческого тела. В результате измерений было получено, что контрастность теплового излучения человеческого тела в СММ диапазоне по отношению к комнате составляет 18⁰С (температура в комнате 18⁰С -20⁰С). Эта величина не зависела от температуры поверхности кожи, что свидетельствовало о том, что тепловизор определял температуру внутренних тканей, составляющую около 37⁰С. Хлопчатобумажная и шерстяная одежда практически не меняла тепловое излучение человеческого тела, но металлические предметы любой толщины и различные виды пластика толщиной выше 3см, размещённые под одеждой, экранировали его практически полностью. Таким образом, легко можно было определить их место положения.

Исследование спектральных зависимостей пропускания различных материалов позволило определить границы частотного диапазона работы тепловизоров миллиметрового и субмиллиметрового диапазона. Измерены коэффициенты прохождения и отражения электромагнитной волны различных диэлектрических материалов. Основное внимание было уделено измерению электрических свойств тканей и материалов, применяющихся при пошиве одежды. Эти исследование необходимы для определения возможности применения тепловизора в инспекционных и охранных системах для обнаружения различных предметов под одеждой на фоне теплового излучения человеческого тела. Измерения проводились в диапазоне длин волн от 150 ГГц до 350 ГГц. На Рис. 3.9. для примера показаны зависимости пропускания материалов, применяющихся для изготовления верхней одежды: плотная шерстяная ткань, драп различной текстуры и драп с утеплителем. Измерения показали, что данные материалы обладают высокой прозрачностью в диапазоне частот от 150 ГГц до 200 ГГц независимо от плотности и толщины. Переходная область наблюдается в диапазоне от 200 ГГц до 250 ГГц, а в районе 300 ГГц имеется резкий спад пропускания. Характер спада и граничная частота сильно зависят не только от плотности материала, но и от текстуры, т.е. способа расположения волокон. Для повышения пространственного разрешения необходимо принимать тепловое излучение в наиболее коротковолновой части диапазона прозрачности.

На основании проведенных измерений шерстяных тканей и других материалов следует сделать заключение, что оптимальный частотный диапазон субмиллиметрового тепловизора находится вблизи 250 ГГц. Это крайняя частота диапазона прозрачности исследованных материалов, которая соответствует наиболее коротким длинам волн.

На Рис. 3.10 представлен спектр пропускания деревянных брусков (бук) различной толщины. Измерения показывают, что на частотах выше 160ГГц наблюдается сильное поглощение излучения (для толщины 7 мм). При малой толщине доски (2 мм) неравномерность спектра пропускания обусловлена интерференцией волн, отраженных от поверхностей деревянного бруска. Спектр пропускания другого органического вещества - куска мыла показан на Рис. 3.11. Высокое поглощение этих материалов на выбранной рабочей частоте 250ГГц делает их заметными на фоне теплового излучения человеческого тела.

Проведённые тестовые измерения демонстрируют работоспособность СММ тепловизора и перспективность создания на его основе инспекционных систем контроля человека для определения скрытых под одеждой опасных предметов: взрывчатки, холодного и огнестрельного оружия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заключение

1. Измерены характеристики сверхпроводникового HEB смесителя. Получено: При ширине полосы промежуточных частот , шумовой температуре = 200 К, постоянной времени = 1 с и = флуктуационная чувствительность будет составлять .

Достоверность полученных значений флуктуационной температуры подтверждается согласием полученных данных с экспериментальными и теоретическими исследованиями других авторов.

2. Разработан Супергетеродинный приемник.

3. Изучены свойства материалов в терагерцевом диапозоне частот. Получено что Хлопчатобумажная ткань и пластик почти не поглощают ТГЦ излучение.

Картон и фанера сильно поглощают, это может быть связано с влагой внутри материала.

4. С помощью разработанного приемника получены тепловые изображения в терагерцевом диапазоне частот. Проведено исследование условий получения теплового изображения объектов в ММ и СММ диапазоне. Продемонстрировано влияние препятствий на качество изображения, а также разработаны требования к возможности получения тепловых изображений за препятствиями;

Список литературы

1. ОЖЕГОВ Роман Викторович - Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и HEB смесителями для терагерцового тепловидения.

2. http://www.thermoview.ru/articles/primenenie/

3. Пирогов Ю. А. Пассивное радиовидение в миллиметровом диапазоне длин волн // Известия ВУЗов ”Радиофизика”. 2003. Т. XLVI, № 8 - 9. С. 660 - 670.

4. http://en.wikipedia.org/wiki/MMIC.

5. http://www.teraview.co.uk.

6. Karpovicz N., Dawes D., Perry M. J., Zhang X.-C. Fire damage on carbonfiber materials characterized by THz waves // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 213 - 224.

7. http://www.frascati.enea.it/THZ-BRIDGE/.

8. Zimdars D., White J., Stuck G., et al. Time Domain Terahertz Imaging of Threats in Luggage and Personnel // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2.

9. Kawase K., Ogawa Y., Minamide H., Ito H. Terahertz parametric sources and imaging applications // Semicond. Sci. Technol. 2005. no. 20. Pp. 258 -- 265.

10. Hubers H.-W. Active Terahertz Imaging for Security (TeraSec). SRC 07, Berlin, 27.03.2007.

11. Краус Д. Д. Радиастрономия. Пер. с англ., под ред. Железнякова В. В. Москва: Сов. радио, 1973.

12. Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. Москва: Наука, 1973.

13. Гершензон Е. М., Гершензон М. Е., Гольцман Г. Н. и др. О предельных характеристиках быстродействующих сверхпроводниковых болометров.

Размещено на Allbest.ru