Г.Н. Грязин

Основы и системы

прикладного телевидения

Сборник домашних заданий

Санкт-Петербург

2008

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Г.Н. Грязин «Основы и системы прикладного телевидения»

Сборник домашних заданий Санкт-Петербург 2008 УДК 621.397 Г.Н. Грязин. «Основы и системы прикладного телевидения»:

Сборник домашних заданий. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 64 стр.

Сборник содержит задачи и домашние задания по курсам «Основы прикладного телевидения» и «Телевизионные системы наблюдения».

Материалы сборника могут быть также использованы при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов.

Для студентов кафедры оптико-электронных приборов и систем.

Одобрено к изданию учебно-методической комиссией факультета оптико-информационных систем и технологий 13 ноября 2007 г. (протокол № 3).

Утверждено к изданию Советом факультета оптико-информационных систем и технологий 9 октября 2007 г. (протокол № 2).

В 2007 году СПбГУ ИТМО стал победителем конкурса инновационных образовательных программ вузов России на 2007– годы. Реализация инновационной образовательной программы «Инновационная система подготовки специалистов нового поколения в области информационных и оптических технологий» позволит выйти на качественно новый уровень подготовки выпускников и удовлетворить возрастающий спрос на специалистов в информационной, оптической и других высокотехнологичных отраслях экономики.

© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, ©Г.Н. Грязин, Содержание Предисловие………………….…………………………………….………..... 1.Задания по расчёту параметров телевизионной системы……………....... Тематические задания по курсу «Основы прикладного телевидения»..... 2.Задания по расчёту режима функционирования телевизионной системы

Тематические задания по курсу «Системы прикладного телевидения»

(«Телевизионные системы наблюдения»)………………………….………. Список литературы………………...……………………………………..…. Приложение. Примеры выполнения домашних заданий…….....……….... Домашнее задание по дисциплине «Основы прикладного телевидения»……………………………………………………………….. Домашнее задание по дисциплине «Системы прикладного телевидения» (пример 1)………………………………………………….. Домашнее задание по дисциплине «Основы прикладного телевидения» (пример 2)………………………………………………..… Кафедра оптико-электронных приборов и систем (ОЭПиС) СПбГУИТМО»…………………………………………………………….… Предисловие Настоящее издание является приложением к учебному пособию автора «Системы прикладного телевидения» [1] и ставит своей задачей приобщить студентов к расчету основных параметров и характеристик телевизионных систем и затем на этой основе к методам расчета режима функционирования системы в целом. В соответствии с поставленной задачей сборник состоит из двух разделов.

Первый раздел относится к курсу «Основы прикладного телевидения», излагаемому студентам, обучающимся по учебным планам и программам для дипломированных специалистов и бакалавров. Этот раздел состоит из девяти заданий, каждое из которых включает в себя три задачи, в основном составленных на основании первых глав указанного учебного пособия. В каждом задании предусмотрено шесть вариантов задач, отличающихся цифровыми исходными данными.

Второй раздел сборника включает в себя домашние задания, выполняемые студентами в рамках изучения курса «Системы прикладного телевидения» («Телевизионные системы наблюдения») согласно учебному плану для дипломированных специалистов и магистров. Домашнее задание выполняется на основе материалов заключительной главы учебного пособия [1]. В сборник включены шесть тематических заданий, состоящих из шести цифровых вариантов каждое.

Для студентов, выполняющих курсовые и дипломные проекты, связанные с телевизионной техникой, материалы второй части сборника служат основой для проведения энергетических расчетов системы.

1.Задания по расчету параметров телевизионной Расчеты, направленные на решение задач, входящих в первый раздел настоящего сборника, в основном отвечают содержанию первых трех глав учебного пособия [1]. При этом точность расчетов должна быть обоснованной. В пояснительной записке не допускается сокращений слов (кроме общепринятых). Все буквенные обозначения подлежат обязательной расшифровке в тексте, а изложение материала должно быть лаконичным и технически грамотным.

В приложении приведен образец домашнего задания. Автор благодарен выпускникам кафедры А.Н. Бычкову и И.Д. Терещенкову за помощь в издании сборника.

1. Вывести формулу и определить размеры сторон экрана кинескопа с диагональю D и соотношением сторон b/h. Найти оптимальное расстояние наблюдения изображения H.

2. Определить частоты строчной f C и кадровой f К разверток в видеоконтрольном устройстве при чересстрочном разложении 1:2 с числом строк в кадре Z и частоте смены кадров FK.

3. Определить необходимую освещенность заданной матрицы [1, с.267] для получения на ее выходе напряжения сигнала U C. Разложение изображения – стандартное. Параметры матрицы:, C ВЫХ, приведены в таблице. Для упрощения расчета можно принять:

Данные для расчётов приведены в таблице 1.

Таблица Задача Задача Задача 1. Вывести формулу и определить минимальные размеры наблюдаемой на экране кинескопа детали объекта (угол зрения 1) при высоте экрана h и расстоянии наблюдения Н.

видеосигнала f В на выходе видикона для параметров разложения: Z, FK, К Ф, К = 0,08 ; С = 0,16 (величины К и С одинаковы для всех вариантов).

3. Определить суммарное напряжение шумов на выходе заданной матрицы [1, с.267], создаваемое шумами переноса и фотонными шумами по заданным величинам Е,, C ВЫХ.

Данные для расчётов приведены в таблице 2.

Таблица Задача Задача Задача 1. Вывести формулу и определить угол зрения, под которым виден растр на экране кинескопа шириной b при расстоянии наблюдения видеосигнала f В на выходе заданной матрицы [1, с.267] для параметров разложения: FK, К = 0,08 ; С = 0,16 (величины К и С одинаковы для всех вариантов).

3. Определить необходимую освещенность фотокатода Е ВХ.

сочлененного фотопреобразователя ЭОП-ПЗС с сочленением через объектив, если освещенность матрицы должна составлять Е, а коэффициент преобразования ЭОП равен. Параметры объектива: 0, D f, V заданы в таблице 3.

Данные для расчётов приведены в таблице 3.

Таблица Задача Задача Задача 1. Определить тип и величину контраста крупноразмерного диффузно отражающего объекта с окружающим фоном, если: объект – автомашина черного цвета, фон – сухое шоссе.

При выборе коэффициентов отражения объекта и фона руководствоваться таблицей 11.1 учебного пособия [1].

видеосигнала на выходе видикона, работающего в режиме малокадрового разложения для параметров: Z, К Ф, Т К.

3. Определить суммарное напряжение шумов на выходе матрицы, создаваемых темновым током и входной цепью при заданных значениях Данные для расчётов приведены в таблице 4.

Таблица Задача Задача Задача появляющегося перед наблюдателем объекта с контрастом К на время.

2. Определить число градаций сигнала на входе АЦП n автоматической ТВ системы, если заданы пороговое отношение сигнал/шум ПОР., напряжение шума U Ш, динамический диапазон входных сигналов АЦП U C max U C min.

Определить необходимую освещенность фотокатода Е ВХ сочлененного фотопреобразователя ЭОП-ПЗС с сочленением через фокон, если освещенность матрицы равна Е, а коэффициент преобразования ЭОП равен. Параметры фокона: и VП приведены в таблице 5.

Данные для расчёта приведены в таблице Таблица Задача Задача Задача чувствительность зрения оператора при вероятности обнаружения объекта РОб и минимальном угловом размере детали. Функции, учитывающие остальные условия наблюдения считать равными единице.

изображения на экране кинескопа от посторонней засветки К / К, если максимальная яркость изображения равна Lmax, коэффициент отражения экрана равен и освещенность, создаваемая засветкой, составляет Е З.

3. Рассчитать экспозицию Н, сообщаемую матрице сочлененного через фокон фотопреобразователя ЭОП-ПЗС, если время экспонирования составляет t Э. Параметры люминофора: n Д, РЗ.К., M m ; параметры фокона:

и VП приведены в таблице 6.

Данные для расчёта приведены в таблице 6.

Таблица Задача Задача Задача 1. Определить минимально необходимую разрешающую способность объектива N Р, предназначенного для совместной работы с матричным ПЗС заданного типа [1, с.267], если разрешающая способность ТВ датчика составляет mР.

2. Рассчитать относительное ухудшение контраста изображения на входе ТВ датчика К ВХ / К 0 за счет рассеивающих свойств атмосферы, воспользовавшись формулой (11.13) учебного пособия, при заданных значениях W,, и l.

диссектора, обеспечивающую отношение сигнал/шум на его входе при заданных условиях: S Э, S I и f.

Данные для расчёта приведены в таблице 7.

Таблица Задача Задача Задача 1. Определить необходимое и достаточное число строк разложения изображения, необходимое для опознавания объекта, относительный минимальный размер которого равен h0 / h. Число требуемых элементов, приходящихся на вертикальный размер изображения равно PЭ.

2. Рассчитать дальность действия ТВ системы при наблюдении в атмосфере (п. 10.1 учебного пособия) и при допустимом ухудшении контраста изображения на входе равном К ВХ / К 0. Параметры наблюдения, w и приведены в таблице.

3. Определить суммарное напряжение шумов на входе матрицы заданного типа [1, с.267], создаваемое шумами переноса и встроенного усилителя при заданных величинах RШ, f Н, f В, f и С ВЫХ.

Данные для расчётов приведены в таблице 8.

Таблица Задача Задача Задача 1. Определить число воспроизводимых градаций яркости n на экране кинескопа для максимального контраста изображения К и контрастной чувствительности глаза при максимальной яркости экрана.

Расчет произвести как для широкого диапазона воспроизводимых яркостей, так и для узкого диапазона Lmax / Lmin.

коэффициентом отражения коэффициентом пропускания (формула 11.10 учебного пособия).

Освещенность фотопреобразователя EФ, угол зрения объектива 2 0.

Расчет производится для края угла зрения. Параметры объектива выбрать самостоятельно таким образом, чтобы требуемая освещенность объекта не превышала Е ДОП.

3. Определить разрешающую способность в оптических линиях N Р кинескопа с диагональю экрана D и соотношением (для всех вариантов) b/h=4/3, если его разрешающая способность, выраженная в телевизионных линиях, равна mР.

Данные для расчётов приведены в таблице 9.

Таблица Задача Задача Задача 2. Задания по расчёту режима функционирования Методы расчёта режима функционирования визуальных и автоматических телевизионных систем базируются на материалах заключительной главы и приложений учебного пособия [1]. Исходными данными для расчётов служат условия наблюдения изображения на экране кинескопа (для визуальных систем) или параметры порогового устройства аналого-цифрового преобразователя (для автоматических систем).

Каждый расчёт состоит из двух основных частей. Вначале определяются световая (энергетическая) и контрастная чувствительности системы, приведённые ко входу фотопреобразователя, в качестве которого используется матричный ПЗС, либо сочленённый ФЭП на основе ЭОППЗС (тема №6). Затем на основании полученных данных производится энергетический расчёт, по результатам которого предъявляются требования к освещённости и контрасту наблюдаемого объекта или, в случае активного режима работы системы, требований к источникам освещения.

При выполнении первой части домашнего задания (темы 3 – 6) в дополнение к учебному пособию рекомендуется руководствоваться следующими соображениями. Необходимую продольную разрешающую способность системы рекомендуется найти по формуле:

где а – горизонтальный размер поля зрения объектива в плоскости объекта; KФ – коэффициент формы растра, K Ф = 4 / 3 ; Pд – коэффициент, учитывающий количество телевизионных линий, приходящихся на горизонтальный размер детали Pд (1,5...2,0).

Разрешающая способность mP не должна превышать своего предельного значения mР, определяемого пересечением уровня отсчёта с ЧКХ системы при отношении сигнала к шуму max [1, c.25]. В свою очередь следует иметь в виду, что ЧКХ системы ограничивается точкой, соответствующей m = mЭ, где mЭ – число элементов матрицы в строке, приведённое к высоте растра. Эту точку условно можно принять за границу полосы пропускания видеотракта, идеализированная ЧКХ которого показана на рис. 11.2 [1, c.229]. Дополнительно отметим, что при расчёте ЧКХ матрицы освещённой источником, близким по спектру к источнику типа «А», следует коэффициент поглощения излучения в подложке принимать равным = 0,15 [2], при освещении естественным солнечным светом – = 0,3,а при освещении импульсными лампами – = 0,2. Частотные искажения, вносимые объективом, при выполнении можно не учитывать.

Параметры матричных ПЗС приведены в [1, с.267 – 268], параметры ФЭП Р86151 приведены в [1, c.82].

При энергетическом расчёте системы следует учитывать, что табличное значение вольтовой чувствительности фотопреобразователя приводится всегда по отношению к источнику типа «А» и, следовательно, для рабочего источника освещения необходимо произвести пересчёт чувствительности.

Ниже приводятся темы домашних заданий с цифровыми вариантами, заключёнными в таблицы.

Приложение содержит образцы выполнения домашних заданий.

Тематические задания по курсу «Системы («Телевизионные системы наблюдения») Перечень обозначений, принятых в таблицах:

Параметры обнаружения объекта • РОб – вероятность обнаружения объекта • РЛ.Т – вероятность ложных тревог • РП.О – вероятность правильного обнаружения Параметры объекта • h – расстояние от камеры до объекта Об. – скорость движения объекта • lд – ширина дорожного покрытия – коэффициент отражения объекта или фона • S – площадь наблюдения • l – размер минимальной детали объекта lОб. – размер объекта • b – расстояние между источником освещения и камерой Параметры изображения • LФ.В. – видимая яркость фона • L А – яркость адаптации зрения оператора • K Ф – формат растра Э – вертикальный угол зрения экрана кинескопа – минимальный горизонтальный угловой размер детали изображения Параметры кинескопа и объектива камеры, – параметры модуляционной характеристики кинескопа / 2 – приведённая частота апертуры кинескопа D / f – относительное отверстие объектива • 2 0 – угол зрения объектива Параметры видеотракта и АЦП • К 0 – коэффициент усиления • f В – верхняя граничная частота, частота полосы пропускания max – максимальное отношение сигнал/шум на входе АЦП m – число разрядов АЦП • U д – динамический диапазон входных сигналов АЦП Параметры лазера • Фе max – мощность излучения в максимуме импульса • t Э – длительность импульса (время экспонирования ФЭП Расчёт режима функционирования телевизионной системы Назначение системы: скрытое визуальное наблюдение в помещениях офисов, банков и других охраняемых объектов. Освещение – естественное в дневное время суток, с помощью ИК-подсветки – в ночное время суток.

Цель расчёта:

1. Определение необходимой энергетической (световой) и контрастной чувствительностей системы при естественном освещении и при ИК-подсветке.

2. Определение требуемой минимальной освещённости помещения в дневное время и облучённости объекта ИК-подсветкой.

3. Определение требуемого минимального контраста объекта с окружающим фоном.

Данные для расчётов приведены в таблице 10.

Таблица кинескоп объектив Расчёт режима функционирования телевизионной системы Назначение системы: визуальное наблюдение за движущимся автотранспортом. Освещение – естественное в дневное время суток и с подсветкой – в ночное время суток.

Цель расчёта:

1. Определение световой и контрастной чувствительностей системы, а также зоны смещения объекта и времени экспонирования ФЭП.

2. Определение требуемой минимальной освещённости объекта в дневное время и мощности источников подсветки для ночного наблюдения.

3. Определение требуемого минимального контраста объектов с окружающим фоном.

Данные для расчётов приведены в таблице кинескоп Расчёт режима функционирования телевизионного датчика для системы обнаружения нефтяных загрязнений водной поверхности с Назначение датчика: формирование полного телевизионного сигнала в цифровой форме. Освещение – естественное, время и место работы: май – октябрь на широте Балтийского моря, условия видимости близкие к нормальным.

Цель расчёта:

1. Определение световой и контрастной чувствительностей системы и числа кодируемых градаций сигнала.

2. Определение рабочего времени суток и минимально необходимого контраста нефтяной плёнки относительно водной поверхности при трёх значениях коэффициента погоды. Результаты расчётов представить в виде таблицы.

3. Определение смещения изображения за время Т К = 20( мс) и допустимости заданной высоты и скорости полёта носителя.

Данные для расчётов приведены в таблице 12.

РП.О.

Коэф-т отражения нефтяной плёнки, км/ч Расчёт режима функционирования телевизионного датчика для Назначение датчика: формирование полного телевизионного сигнала в цифровой форме. Освещение – искусственное в условиях цеха.

Цель расчёта:

1. Определение разрешающей способности, световой и контрастной чувствительностей системы и числа кодируемых градаций сигнала.

2. Определение требуемой минимальной освещённости контролируемого объекта, выбор объектива и мощности источников подсветки.

3. Определение требуемого минимального контраста объекта с окружающим фоном.

Данные для расчётов приведены в таблице РП.О.

раста Расчёт режима функционирования телевизионного датчика для Назначение датчика: формирование полного телевизионного сигнала в цифровой форме. Освещение объекта с помощью импульсных ламп.

Объект наблюдения вращается в воздушной среде.

Цели расчёта:

1. Определение разрешающей способности, световой и контрастной чувствительностей системы и числа кодируемых градаций сигнала.

2. Определение требуемой минимальной экспозиции, выбор типа и мощности импульсной лампы.

3. Определение требуемого минимального контраста объекта с окружающим фоном.

Данные для расчётов приведены в таблице 14.

РП.О.

lОб., мм в белом Расчёт режима функционирования телевизионной системы наблюдения за гидротехническими сооружениями Назначение системы: автоматический контроль состояния причальных стенок, плотин, доков и других сооружений с помощью спускаемых аппаратов или водолазов. Освещение с помощью светильников непрерывного действия или импульсных лазеров (при использовании метода пространственного стробирования).

Цели расчёта:

1. Определение необходимой световой и контрастной чувствительностей системы.

2. Определение требуемой мощности источников непрерывного освещения или уточнение дальности действия системы с пространственным стробированием.

3. Определение требуемого минимального контраста объектов наблюдения с окружающим фоном.

Данные для расчётов приведены в таблице 15.

Нагрузочное сопротивление, Фе max бассейн 1. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: Учебное пособие для вузов. – СПб: Политехника, 2000, 277с.

2. Грязин Г.Н. К расчёту частотных характеристик приборов с зарядовой связью. – Изв. вузов. «Приборостроение», 2001, т.44, №3, с.22.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ДОМАШНИХ ЗАДАНИЙ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Кафедра оптико-электронных приборов и систем Домашнее задание по дисциплине «Основы прикладного телевидения»

Определить эффективный контраст К Э однократно появляющегося перед наблюдателем объекта с контрастом К = 0,5 на время = 0,1(с).

Эффективное значение контраста определяется по формуле где К– контраст объекта; – время, за которое однократно появляется объект; – время инерции зрения.

Экспериментально доказано, что время инерции зрения в широком интервале яркостей (примерно от 10 до 103 кд/м2) равно 0,05 с.

Подставив данные значения в формулу, получим Таким образом, при однократных раздражениях эффективный контраст, т.е. контраст, воспринимаемый наблюдателем, будет всегда меньше действительного контраста.

Ответ: эффективный контраст, однократно появляющегося перед наблюдателем объекта, равен К Э = 0,43.

Определить число градаций сигнала на входе АЦП автоматической системы, если пороговое отношение сигнал/шум ПОР = 5,7 ;

напряжение шума U Ш = 5, 5 ( мВ ) ; динамический диапазон входных сигналов АЦП U C max U C min = 2( В).

Для автоматических систем аналогом воспроизводимой градации яркости является градация сигнала Uс, которая может быть с требуемой вероятностью зафиксирована пороговым устройством АЦП. Связь Uс с пороговым отклонением сигнала к шуму устанавливается формулой откуда где U Ш – напряжение шумов на входе порогового устройства.

Для автоматических систем U C max = U C min + n U C, откуда с учетом формулы (1) где U C max U C min – динамический диапазон входных сигналов АЦП; n – число градаций сигнала.

Подставив заданные значения в формулу (2), получим Ответ: число градаций сигнала равно n=64.

сочлененного фотопреобразователя ЭОП-ПЗС с сочленением через фокон, если освещенность матрицы должна составлять Е=0,1 (лк), а коэффициент преобразования ЭОП = 103. Параметры фокона: С = 0,6 ; VП = 0,6.

В случае использования фокона возможен дополнительный выигрыш в освещенности внутреннего фотослоя, площадь которого меньше рабочей площади излучения люминофора. В общем случае освещенность фотослоя, имеющего прямоугольную конфигурацию равна где VП – отношение одной из сторон рабочей площадки люминофора; С – стекловолоконном соединении (коэффициент светопропускания); М – светимость экрана.

Светимость экрана связана с освещенностью фотокатода ЭОП Е ВХ и его коэффициентом преобразования (при масштабе переноса изображения в ЭОП 1:1) соотношением откуда с учетом формулы (2) Подставив заданные значения в формулу (4) получим Ответ: необходимая освещенность фотокатод равна Е ВХ = 6 10 5 ( лк )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Кафедра оптико-электронных приборов и систем «Системы прикладного телевидения»

1. Исходные данные для выполнения задания……………….……..…. 2. Задачи расчёта параметров телевизионной системы наблюдения за движущимся автотранспортом……………..…….…...….. 3. Определение зоны смещения объекта и времени экспонирования фотопреобразователя………………...……

4. Расчёт порогового контраста изображения объекта……...……........ 5. Определение сигналов на выходе матрицы..………………......….… 6. Расчёт контрастной и световой чувствительностей системы............ 7. Определение требуемой освещённости объекта в дневное время.... 8. Определение мощности источников подсветки для ночного наблюдения……………………………….……………..………………….. 9. Определение контраста объекта с окружающим фоном на входе передающей камеры…………………………………………..…...……..… Результаты работы……………………………………...……..…………… Список литературы…………………………………………........………… Назначение системы – визуальное наблюдение за движущимся автотранспортом.

Освещение – естественное в дневное время суток; с подсветкой – в ночное время суток.

Цель расчёта:

1. Определение световой и контрастной чувствительности системы.

2. Определение требуемой минимальной освещённости объекта в дневное время.

3. Определение мощности источников подсветки для ночного наблюдения.

4. Определение требуемого минимального контраста объектов с окружающим фоном.

Исходные данные для расчёта:

1. Вероятность обнаружения изображения объекта на экране кинескопа РОб = 0, 2. Минимальный угловой размер изображения детали объекта = 3. Угол зрения вертикального размера растра Э = 25o 4. Яркость адаптации глаза оператора L А = 40(кд / м 2 ) 5. Видимая яркость фона в изображении на экране LФ.В. = 35(кд / м 2 ) 6. Коэффициент усиления видеотракта К 0 = 2 103.

7. Верхняя граница спектра видеосигнала f В = 3,0( МГц ).

8. Тип ФЭП – матричный ПЗС типа 1200ЦМ15.

9. Параметры модуляционной и частотной характеристики кинескопа:

10. Дальность h=15 м.

11. Скорость движения объекта Об. = 60(км / ч).

12. Ширина дороги lд = 10( м).

Параметры матричного ПЗС типа 1200ЦМ15 [1]: число фоточувствительных элементов (по вертикали и горизонтали), шт. 288/442;

размер секции накопления (по вертикали и горизонтали) 4,9 6,2 мм;

вольтовая чувствительность не менее 30мВ/лк; максимальная освещённость при времени кадра 20мс не менее 2лк.

2. Задачи расчёта параметров телевизионной системы наблюдения за движущимся автотранспортом Одной из основных целей расчёта является определение требований к контрастной и энергетической чувствительности системы. Для её выполнения требуется определение минимально необходимых значений сигнала от объекта и фона на выходе фотопреобразователя, при которых обеспечивается обнаружение изображения объекта на экране кинескопа с заданной вероятностью. В свою очередь, чтобы найти значения сигналов на выходе фотопреобразователя понадобится предварительно рассчитать пороговый контраст изображения объекта, а также, учитывая характер решаемых системой задач, определить время экспонирования фотопреобразователя и зону смещения объекта.

Далее по уже полученным данным рассчитывается необходимая освещённость объекта в дневное время, а также определяется мощность источников подсветки для ночного наблюдения.

Завершающим этапом работы является определение контраста объекта с окружающим фоном на входе передающей камеры.

3. Определение зоны смещения объекта и времени экспонирования При наблюдении за быстродвижущимися объектами смещение входного оптического изображения (скоростное смазывание) во время его фотопреобразователя к ухудшению качества воспроизводимого системой изображения.

Наиболее универсальным способом уменьшения скоростного фотопреобразователя при сохранении неизменной длительности кадра.

При линейном накоплении время экспонирования определяется как:

где h - высота поля зрения объектива в плоскости объекта, по условию h=10(м); x Н - зона размытости переходной характеристики системы в случае неподвижного изображения, x Н = 1( эл.) ; 0 - допустимое относительное ухудшение резкости движущегося изображения по сравнению с неподвижным, примем 0 = 0,9 ; Z A - число активных строк при стандартном разложения, Z A = 575 ; Об. - линейная скорость объекта, экспонирования фотопреобразователя составляет величину меньшую, чем длительность кадра, что говорит о необходимости применения импульсного режима работы системы.

Зона смещения изображения, образуемая за время экспонирования t Э :

4. Расчёт порогового контраста изображения объекта Зрительный аппарат человека является замыкающим звеном в цепи передачи информации большинства наблюдательных телевизионных систем. Поэтому любые расчёты параметров таких систем должны вестись с учётом свойств зрения.

Возможность обнаружения изображения объекта оператором определяется контрастной чувствительностью его зрения (КЧЗ), являющейся безразмерной величиной, обратной пороговому контрасту изображения объекта К ПОР, при котором он обнаруживается оператором с вероятностью РОб. : = 1 / К ПОР. В логарифмической шкале яркостей пороговый контраст равен = lg[1 /(1 К ПОР )].

Вследствие малого изменения значений влияющих на величину факторов для реальных телевизионных изображений, их можно считать взаимонезависимыми. Тогда:

где 0 - пороговый контраст при нормальных условиях наблюдения, 0 = 0,01 ; n – число учитываемых факторов, f i - нормированные функции, учитывающие изменения порогового контраста при отклонении условий наблюдения от нормальных. По графикам, приведённым в [1, с. 20 – 22] Для определения значения функции f 5 ( ) определяем эффективное значение шумов в наблюдаемом изображении Из. :

Значение коэффициента кш для стандартных параметров разложения к ш = 0,21 [1].

Для расчёта приведённого к экрану кинескопа напряжения шумов U Ш.Э. определим среднеквадратическое значение напряжения шума на модуляторе кинескопа U Ш.М., которое складывается из напряжения шума матрицы U Ш.ПЗС и теплового шума встроенного усилителя U Ш.Ус..

Собственные шумы матричного ПЗС складываются из нескольких составляющих, однако основную роль играют шумы переноса зарядов [1]:

- выходная ёмкость матричного ПЗС, C ВЫХ. = 0,1(пФ) ; q – заряд здесь C ВЫХ.

электрона, q = 1,6 10 -19 (Кл) ; nmax – число переносов зарядовых пакетов, определяемое количеством элементов матрицы по горизонтали и вертикали и равное nmax = постоянная Больцмана, k 0 = 1,38 10 23 ( Дж / К ) ; Т – абсолютная температура, Т=300 (К); f В – верхняя граница частоты полного телевизионного сигнала, f В = 3,0( МГц ).

Значение приведённого к экрану кинескопа напряжения шумов будет равно:

Среднеквадратическое значение напряжения шума на модуляторе кинескопа:

Откуда приведённое к экрану кинескопа напряжение шумов:

где S1 S 2 - отношение площадей под графиками частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) кинескопа и видеотракта соответственно (рис.1), причём ЧКХ кинескопа получена, исходя из следующего соотношения:

в котором 2 - приведённая частота апертуры кинескопа; f - частота синусоидального напряжения, прикладываемого к модулятору трубки.

ЧКХ видеотракта ( K ВТ ( f )) для простоты расчётов будем считать квазипрямоугольной.

Вычислим напряжение сигнала от фона на модуляторе кинескопа при средней яркости изображения от фона:

где = 90( 1/с) – коэффициент, определяющий скорость затухания яркости люминофора, Т К – длительность одного полукадра, Т К = 20(мс).

[4, с. 231], отношение сигнал/шум Ф.М. = 4. При этом учтём, что влиянием детектирования шумов кинескопом можно пренебрегать при Ф.М. 2.

Пренебрегая влиянием детектирования шумов кинескопом, находим напряжение сигнала от фона на модуляторе кинескопа:

изображении:

По графику, приведённому в [1, с. 22], при С = 0,1 находим Согласно (1) рассчитываем пороговый контраст в логарифмической шкале яркостей:

и пороговый контраст изображения объекта:

Чтобы найти напряжение сигналов на выходе матричного ПЗС от объекта U О.Ф. и фона U Ф.Ф., предварительно следует найти соответствующие им напряжения на модуляторе кинескопа. Напряжение сигнала от фона на модуляторе кинескопа было найдено в предыдущем параграфе, а напряжение сигнала от объекта можно найти, воспользовавшись следующим соотношением, аналогичным (3):

где L О - среднее значение яркости изображения объекта. Следует уточнить, что выражение (4) справедливо лишь в том случае, если влиянием детектирования шумов кинескопом можно пренебречь.

Для расчёта L О найдём значения видимой яркости изображения мелких деталей объекта LО.В., а также значение яркости LКрВ. для крупных деталей объекта с учётом апертурных искажений, вносимых фотопреобразователем и кинескопом.

Определим видимую яркость изображения мелких деталей объекта как:

Рассчитаем значение яркости для крупных деталей LКрВ. с учётом.

апертурных искажений, вносимых матрицей и кинескопом по их продольным ЧКХ.

Частотно-контрастная характеристика матричного прибора с зарядовой связью имеет три составляющих.

Геометрическая составляющая ЧКХ матрицы ПЗС определяется из выражения:

где аЭ – размер фоточувствительного элемента в направлении переноса, равный 16 мкм; p – шаг фоточувствительных элементов, p = aЭ ;

b – коэффициент, учитывающий фазовый сдвиг между осями элементов и максимумами яркости полос миры, b =2; m Э – количество элементов Составляющая ЧКХ матрицы ПЗС, учитывающая неэффективность переносов, определяется из выражения:

где – коэффициент, учитывающий неэффективность переноса, = 2 10 - 4, n – число переносов зарядовых пакетов, определяемое количеством элементов матрицы по горизонтали и равное n = 442.

Диффузионная составляющая ЧКХ матрицы ПЗС определяется следующим образом [1]:

подложке, зависящий от длины волны. Для дневного освещения = 0,3( 1/мкм) ; d – глубина области пространственного, примем d=5(мкм);

L0 – диффузионная длина носителей в подложке, L0 = 100(мкм) ; N – пространственная частота штриховой миры, мм 1.

секции накопления матрицы, формула (3) легко преобразуется к виду К Д (m).

Результирующая ЧКХ матрицы ПЗС имеет вид произведения:

Если частоту синусоидального напряжения, прикладываемого к модулятору трубки, представить как f = m 2 C, где C = 55 10 6 (c) - время прямого хода строчной развёртки, то формулу (2) для ЧКХ кинескопа можно записать:

Необходимо также учесть сомножитель результирующей ЧКХ системы, учитывающий скоростной смаз изображения:

Рассчитываем результирующую ЧКХ телевизионной системы:

Результирующая частотная характеристика телевизионной системы и её составляющие представлены на рис.2. Тогда:

Коэффициент модуляции М Р определяется по результирующей продольной ЧКХ телевизионной системы, учитывающей ЧКХ кинескопа и фотопреобразователя с объективом при m = рис.2 М Р = К С (300) = 0,47.

Находим среднее значение яркости изображения объекта:

[1, с. 231], отношение сигнал/шум, О.М. = 7. Пренебрегая влиянием детектирования шумов кинескопом, находим напряжение сигнала от объекта на модуляторе кинескопа:

Определим напряжение сигналов на выходе матричного ПЗС от объекта и фона соответственно:

6. Расчёт контрастной и световой чувствительностей системы Определим контрастную чувствительность системы, как величину, обратную минимальному контрасту входного изображения, а световую чувствительность как величину, обратную минимальной освещённости фотопреобразователя, при которых система обеспечивает выполнение своих функций [1].

Прежде чем найти освещённость фотопреобразователя от объекта и фона, необходимо произвести пересчёт вольтовой чувствительности матрицы от паспортного источника типа «А» к дневному освещению:

1200ЦМ15 по паспортному источнику типа «А»; I, II – коэффициенты использования приёмником лучистого потока от эталонного источника типа «А» и рабочего источников излучения; Г, Г – коэффициенты использования глазом лучистого потока от эталонного и рабочего источников излучения соответственно.

По полученным значениям сигналов и вольтовой чувствительности матрицы типа 1200ЦМ15 на линейном участке светосигнальной характеристики, ограниченной 2лк при соответствующие значения освещённостей фотопреобразователя от объекта и фона соответственно:

фотопреобразователя его освещённости от фона и объекта удобнее заменить на соответствующие экспозиции:

Тогда требуемые освещённости с учётом времени экспонирования фотопреобразователя при выполнении условия взаимозаменяемости:

Обратный контраст изображения, определяющий контрастную чувствительность системы, будет равен:

Контрастная чувствительность системы:

Величина световой чувствительности находится как:

7. Определение требуемой освещённости объекта в дневное Требуемая освещённость в изображении на фотопреобразователе ЕО.Ф.Т. связана с искомой освещённостью объекта ЕО.В. соотношением:

где V – линейное увеличение объектива, равное отношению заднего отрезка к расстоянию от объекта до передающей камеры, V U Ф, примем р0 = 0,5.

Допустимое напряжение шумов на входе АЦП Напряжение сигнала от мелкой детали объекта Напряжение сигнала от крупной детали объекта Собственные шумы матричного ПЗС складываются из нескольких составляющих, однако основную роль играют шумы переноса зарядов [1]:

здесь C ВЫХ. - выходная ёмкость матричного ПЗС, C ВЫХ. = 0,1(пФ) ; q – заряд электрона, q = 1,6 10 -19 (Кл) ; nmax – число переносов зарядовых пакетов, вертикали и равное nmax = 512 + 288 2 = = 2800(Ом) - шумовое сопротивление транзистора, k 0 – постояная где RШ Больцмана, k 0 = 1,38 10 23 ( Дж / К ) ; Т – абсолютная температура, Т= (К); f В – верхняя граница частоты полного телевизионного сигнала, f В = 3,5( МГц ).

Уровень шума ПЗС:

Требуемый коэффициент усиления видеотракта определяется соотношением Напряжение сигнала от мелкой детали объекта на выходе ПЗС Напряжение сигнала от крупной детали объекта на выходе ПЗС Напряжение сигнала от фона на выходе ПЗС Входной контраст, определяющий контрастную чувствительность системы, равный для ПЗС контрасту сигналов, чувствительность системы:

где S – вольтовая чувствительность матрицы, S = 40( мВ / лк ).

Как видно из расчета, освещенность ЕО оказалась настолько высокой, что вышла за пределы рабочего участка светосигнальной характеристики ПЗС, Еmax = 2( лк ). Уменьшить значение ЕО можно изменением коэффициента усиления К 0 видеотракта или коэффициента р0. Увеличив значение К 0 до 29, получим Контрастная чувствительность системы:

Величина световой чувствительности находится как:

5. Расчет числа кодируемых градаций сигнала Число кодируемых градаций сигнала можно рассчитать по формуле Для увеличения числа градаций необходимо увеличивать напряжение U О. В предельном случае U О = U Д получаем n=8, что требует увеличения освещенности матрицы до величины ЕО = 2,6( лк ), превышающего, однако, допустимое значение.

Из геометрических соотношений находим угол зрения в вертикальной плоскости при расстоянии до объекта h=0,9 м.

Аналогично в горизонтальной плоскости.

определяется соотношением где bФ – ширина изображения на фоточувствительном слое ПЗС.

По данным значениям выбираем объектив типа киносъемочного любительского объектива [4] с параметрами:

Угол резкого изображения равен [5] Выбираем осветительную систему с наклонно расположенным источником света (рис. 5), так как датчик расположен на фиксированном расстоянии от площади обзора.

Произведем выбор и расчет ее параметров.

Базу между объективом и излучателем из конструктивных соображений выбираем равной b=0,2(м). Тогда угол наклона излучателя Угол между осью излучателя и направлением на объект, расположенный на краю поля зрения объектива (точка А рис. 5), т. е. при Угол раствора светового пучка примем с запасом 20%; 2 Р = 30o.

Сила света источника освещения, обеспечивающая требуемую освещенность на краю поля зрения где V – линейное увеличение объектива, равное отношению заднего