Телевизионные камеры для спецтехники

В настоящее время телевизионные системы нашли широкое применение в спецтехнике для обеспечения охраны, досмотра, таможенного контроля, вождения транспортных средств, прицеливания, разведки и пр. Основным элементом таких систем являются ТВ-камеры.
Различают бескорпусные (модульные) ТВ-камеры, корпусные для работы в помещении, корпусные для работы на открытом воздухе, цветные, черно-белые, а также ТВ-камеры типа «день/ночь», которые могут работать как в цветном, так и в черно-белом режиме. ТВ-камеры могут иметь стандартное (350 – 380 ТВ-линий) или высокое (свыше 500 ТВ-линий) разрешение. ТВ-камеры могут работать в обычных условиях, но существуют ТВ-камеры для работы при экстремальных внешних условиях, в том числе и при повышенном уровне радиации. ТВ-камеры могут быть в купольном исполнении. Различают также аналоговые и цифровые (сетевые). В цифровых ТВ-камерах воплощена технология Internet Protocol (IP), поэтому их называют IP-камеры. Если ТВ-камера сопряжена с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП), то она образует так называемый гибридно-модульный преобразователь изображения (ГМП) для работы при пониженных уровнях освещенности (сумерки, ночь).
Современные ТВ-камеры в основном выполнены на базе полноформатных кремниевых матриц ПЗС, работающих в области спектра 0,4 – 1,1 мкм, но, как будет показано выше, есть ТВ-камеры, работающие в области спектра 0,9 – 1,7 мкм. В настоящее время для телевидения высокой четкости созданы матрицы ПЗС с большим числом элементов. Так, фирма Philips Profes Imaging (Нидерланды) разработала матрицы ПЗС с числом элементов 1024×1024 (модель FTF1010), 2048×2048 (модель FTF2020), 3072×3072 (модель FTF3020). Фирма Alt Systems Inc. (США) разработала матрицу ПЗС с числом элементов 4096×4096, а фирма Dalsa Inc. (США) – с числом элементов 5000 ́5000. В ЦНИИ «Электрон» созданы матрицы ПЗС с числом элементов 1152×1920, 1040×1160, 2000×2000,256×5000, в ФГУП «НПП «Пульсар» – 534×1154,256×3500, 1600×1200. Развитие матриц ПЗС идет в направлении увеличения чувствительности, количества светочувствительных элементов (пикселей) в матрице ПЗС, уменьшения размеров пикселей, расширения динамического диапазона. Так, фирма Sony (Япония) выпускает матрицы ПЗС с числом элементов 2048×2048 при размере пикселя 7,4×7,4 мм и 4000×2672 элементов с размером пикселя 9×9 мкм при динамическом диапазоне свыше 5000.
В ТВ-камерах стандартного разрешения используются матрицы ПЗС с числом элементов по строке 500 при разрешающей способности примерно 380 ТВ-линий. Но при оценке разрешения следует установить также глубину модуляции сигнала с числом штрихов, соответствующих разрешающей способности, – коэффициент передачи контраста. Реально в лучших ТВ-камерах он достигает 0,5 – 0,7. При низком значении этого коэффициента (0,1 и ниже) даже при разрешающей способности 380 ТВ-линий изображение утрачивает резкость и в нем трудно различить мелкие детали. При использовании в ТВ-камерах несимметричного корректора четкости с избыточной коррекцией, настроенной на 150 – 200 ТВ-линий, глубина модуляции доходит до 1,0, но для 380 линий падает до 0,1 – 0,2. В результате изображение пестрит резкими углами и контурами линий, мелкие детали различимы с трудом. В этом смысле предпочтительнее используемое фирмой «ЭВС» (Россия) применение симметричного корректора четкости, настроенного на 400 ТВ-линий, обеспечивающего глубину модуляции не менее 0,5. В ТВ-камерах высокого разрешения с числом элементов по строке 50 – 760 разрешающая способность доходит примерно до 570 – 600 ТВ-линий. Но если ТВ-мониторы, аналоговые видеомагнитофоны и квадраторы настроены на меньшее разрешение, то реализация высокого разрешения не происходит. Для повышения разрешения системы в целом следует применять ТВ-мониторы, цифровые видеомагнитофоны или регистраторы изображения с разрешением не менее 500 ТВ-линий при размере экрана ТВ-монитора не менее 14'', а лучше 19'' или 21''.
ТВ-камеры используют матрицы ПЗС разного формата. Формат – внешний диаметр (в дюймах) трубки видикона, у которого размеры мишени равны размерам матрицы ПЗС. Различают форматы 1/5'', 1/4'', 1/3'', 1/2'', реже 2/3'', 1'', 4/3'', применяемые в основном в астрономии. Чем меньше формат, тем дешевле ТВ-камера, меньше ее размеры и энергопотребление. Но с уменьшением формата растет уровень шума и снижается чувствительность в темноте (примерно в 1,5 раза при снижении на один формат).
Чувствительность матриц ПЗС можно повышать разными способами. Известно, что охлаждение на каждые 9° С приводит к уменьшению темнового тока матрицы ПЗС в 2 раза. Поэтому применяют охлаждение матриц ПЗС путем заливки жидкого азота в сосуд Дюара, в котором смонтирована матрица ПЗС. При этом температура охлаждения составляет 77 К. Чаще используют охлаждение до –80 С с помощью одно- или двухкаскадных термоэлектрических охладителей (ТЭО) (фото 1). Однако такие технические решения не получили широкого распространения. Для повышения чувствительности можно использовать объектив с большей светосилой, например, вместо 1:1,2 применить 1:0,75, но это увеличит стоимость ТВ-камеры. В стандартных матрицах ПЗС Super HAD при относительном отверстии объектива 1:1,2 чувствительность составляет 0,1 лк. Фирма Sony повысила чувствительность матриц ПЗС EXview HAD приблизительно в 4 раза за счет повышения абсолютной величины чувствительности и ее сдвига в ближнюю инфракрасную (ИК) область спектра. Созданы новые типы матриц ПЗС EXview HAD CCD, которые имеют отношение сигнал/шум лучше 115 дБ по сравнению с 20 дБ для обычных матриц ПЗС.
На рис. 1 представлены кривые спектральной чувствительности обычной матрицы ПЗС фирмы Sony (модель ICX058CL) и матрицы EXview HAD CCD (модель ICX258AL). Высокая чувствительность достигается за счет применения микролинз, концентрирующих свет в сравнительно небольшие по размеру фоточувствительные окна матрицы ПЗС. Для дальнейшего повышения чувствительности используются ночные режимы. Один такой режим достигается увеличением чувствительности путем суммирования сигналов в соседних элементах матрицы ПЗС (ночной режим 1), а другой − увеличением чувствительности путем суммирования сигналов соседних кадров (до 16 кадров) непосредственно в матрице ПЗС (ночной режим 2). В результате суммарная чувствительность может достигать 4×10-5 лк. Рассмотрим основные виды ТВ-камер на базе матриц ПЗС.
Бескорпусные (модульные) ТВ-камеры представляют собой одну, две или больше параллельных печатных плат. На верхней печатной плате монтируется матрица ПЗС, видеоусилитель и держатель (holder) объектива. Для различных объективов – с резьбой М12, Pin-hole и CS-mount – существует свой держатель. Их замена осуществляется достаточно просто – путем крепления или демонтажа с помощью винтов. Бескорпусную ТВ-камеру можно вставить в любой корпус в зависимости от специфики применения. Внешний вид бескорпусных ТВ-камер представлен на фото 2, а их типичные параметры – в табл. 1.
На основе бескорпусных ТВ-камер выполняются корпусные. Их корпуса выполняются из металла или из прочного пластика. Эти камеры могут монтироваться с помощью малогабаритных кронштейнов на стенах, стойках и т.п. с возможностью поворота по вертикали и горизонтали с последующей фиксацией. Вместо такого кронштейна может быть использовано программируемое поворотное устройство, которое обеспечивает автоматическое перемещение ТВ-камеры по азимуту и по углу места цели в соответствии с заданным законом. ТВ-камера может быть изготовлена в купольном исполнении. В этом случае она может монтироваться на стене, столбе, потолке, карнизе и т.п. и осуществлять обзор в широком угле поля зрения по азимуту и по углу места цели.
Для работы на открытом воздухе ТВ-камеры должны функционировать в диапазоне рабочих температур обычно от −45 до +45° С, иметь хорошую устойчивость от запотевания и обледенения, от снижения видимости из-за воздействия осадков. ТВ-камеры должны иметь надежную герметизацию для защиты от влажности, для обеспечения нормальной работы при интенсивных ливнях, а также при кратковременном погружении в воду.
Все это может быть обеспечено за счет установки камеры в специальный кожух, в котором создается требуемый диапазон рабочих температур, полная герметизация, предусмотрена защита входного окна кожуха от запотевания и заиндевения, работа дворников обеспечивает нормальную видимость при воздействии осадков. Такие ТВ-камеры также могут быть установлены на регулируемых кронштейнах либо на поворотных устройствах. Для работы ТВ-камер в полной темноте или при пониженном уровне естественной освещенности они могут быть оснащены инфракрасными прожекторами.

Комментарии

Комментариев пока нет