БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ АКТИВНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
83
УДК 621.373.54; 621.314.1
Б. И. АВДОЧЕНКО, В. Ф. КОНОВАЛОВ
БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ АКТИВНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Представлен универсальный блок питания для проведения экспериментальных исследований активно-импульсной телевизионной системы. Блок питания используется для накачки лазерного инфракрасного прожектора и быстрого синхронного заряда емкостей микроканальной пластины и фотокатода электронного оптического преобразователя. Ключевые слова: телевизионная система, активный импульсный режим, инфракрасный прожектор, большие импульсные токи, короткие импульсы, структурная схема, технические характеристики.
В настоящее время всепогодные приборы видеонаблюдения и распознавания объектов находят широкое применение в науке и технике. Благодаря развитию микроэлектроники появились малогабаритные электронно-оптические преобразователи (ЭОП) с коэффициентом усиления в несколько десятков тысяч, а также твердотельные преобразователи „свет— сигнал“ (ПСС), имеющие высокую чувствительность и разрешающую способность. Стало возможным использование телевизионных систем в условиях недостаточной освещенности объекта, воздействия интенсивных световых помех и ограниченной видимости из-за тумана, дождя, снегопада и т.д. В этих условиях необходимо обеспечить повышенную точность преобразования оптического изображения в видеосигнал, несущий информацию о координатах, размерах и яркостных характеристиках объектов.
Одним из наиболее перспективных вариантов, позволяющих обеспечить повышение точности работы телевизионных систем в сложных условиях наблюдения, является использование активно-импульсного режима работы [1]. В таком режиме благодаря методу пространственной селекции устраняются фоновая составляющая видеоизображения и оптические фоновые помехи, появляется возможность накопления данных и использования других способов обработки сигнала.
Для обеспечения импульсного режима работы телевизионной системы необходимо наличие мощного импульсного источника подсветки, работающего, как правило, в инфракрасном (ИК) диапазоне [2], и установление импульсного синхронного режима считывания информации, поступающей от ЭОП и преобразователя „свет—сигнал“. Запуск источника подсветки синхронизируется строчными синхроимпульсами телевизионной камеры, а импульсы управления ЭОП задерживаются относительно импульсов подсветки на время распространения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
84 Б. И. Авдоченко, В. Ф. Коновалов
излучения до зоны наблюдения и обратно. Длительность оптических импульсов подсветки и электрических импульсов, подаваемых на ЭОП и ПСС, определяется размерами объектов или зон наблюдения и может составлять от единиц до десятков наносекунд.
Для повышения точности измерений характеристик объектов и уменьшения потребляемой мощности требуется быстрое установление необходимого уровня напряжений, обеспечивающих оптимальные режимы работы активно-импульсной телевизионной системы (АИТВС). При известной зависимости тока заряда от времени время заряда t1 емкости C до напряжения U определяется выражением
t1
∫ I (t)dt = CU ,
0
откуда следует, что источник питания АИТВС за единицы—десятки наносекунд должен передавать в нагрузку импульсные токи в десятки—сотни ампер.
Особенностями разработанного источника питания, предназначенного для исследования точности преобразования оптического изображения в видеосигнал в сложных условиях наблюдения, являются широкий диапазон изменения временных и энергетических параметров импульсов и большие (до 100 А) импульсные токи, необходимые для накачки ИКисточника подсветки, быстрого заряда емкостей микроканальной пластины (МКП) и фотокатода (ФК) ЭОП.
Диаграмма взаимного расположения импульса подсветки, отраженного от объекта наблюдения, импульса, подаваемого на МКП, и импульса стробирования ФК приведена на рис. 1, где t1 — момент начала излучения импульса подсветки; t1—t2 — время прохождения импульса подсветки до зоны наблюдения и обратно; t2— t7 — время подсветки зоны наблюдения; t3— t6 — длительность импульса МКП; t4 — t5 — длительность импульса ФК.
K
t
t1
t2
t3
t4 t5 t6
t7
Рис. 1
Временное положение импульса запуска источников питания МКП и ФК, поступающе-
го с управляемой задержкой с устройства синхронизации, соответствует дальности до зоны
наблюдения. Два импульса, поступающие с этих источников питания, жестко связаны во
времени. Для сдвига импульса питания ФК относительно импульса питания МКП предусмот-
рена плавная регулируемая задержка до 100 нс. Импульс питания МКП предназначен для по-
лучения ускоряющего напряжения питания ЭОП. В целях оптимизации коэффициента преоб-
разования ЭОП при передаче изображения темных предметов в сложных условиях наблюде-
ния предусмотрена регулировка длительности и амплитуды импульса. Импульс питания ФК
используется для его стробирования, что позволяет производить выборку зоны наблюдения и
устранять фоновую составляющую видеоизображения и оптические помехи.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Блок питания для активно-импульсной телевизионной системы
85
Структурная схема источника питания активной импульсной телевизионной системы приведена на рис. 2.
Запуск импульсного источника подсветки (ИК-прожектора) производится положительным фронтом входного импульса ТТЛ-уровня, поступающего с устройства синхронизации. В состав импульсного источника подсветки входят: регулируемый блок питания БПР (преобразователь напряжения), формирователь длительности оптического ИК-импульса, драйвер транзистора коммутатора, коммутатор импульсов тока накачки и импульсный лазерный ИКпрожектор на основе инжекционной многомодовой решетки Л-13 со встроенным оптическим интегратором.
Входной Входной формирователь импульс синхронизатора
Формирователь длительности импульса МКП
Электронная линия
задержки
Драйвер МКП
Формирователь длительности импульса ФК
Драйвер ФК
Коммутатор МКП
Коммутатор ФК
К МКП
+ 12 В
БПРВ-1
БПР БПРВ-6
Переключатель режима МКП
БПРВ-0,4
Переключатель режима ФК
К ФК
К экрану ОЭП
Схема напряжения смещения ФК
Входной импульс
Формирователь длительности ИК-импульса
Драйвер импульса накачки
Коммутатор импульсов тока накачки
Импульсный лазерный
Оптический импульс
ИК-прожектор
запуска прожектора
Рис. 2
Преобразователь напряжения предназначен для получения необходимого напряжения
питания для коммутатора импульсов тока накачки и представляет собой двухтактную схему,
управляемую интегральным ШИМ-контроллером. Изменение коэффициента передачи цепи
обратной связи позволяет изменять выходное напряжение преобразователя от 50 до 160 В и
управлять оптической мощностью лазерного прожектора в широких пределах.
Схема коммутатора импульсов тока накачки лазерной решетки выполнена на основе
мощного MOSFET транзистора. Такой транзистор имеет большую входную емкость, поэтому
для быстрого включения транзистора использован 9-амперный быстродействующий драйвер,
который обеспечивает время включения/выключения коммутатора не более 20 нс.
Технические характеристики лазерного прожектора
Импульсная оптическая мощность, Вт, не менее ............................................ 320 Длина волны излучения, нм............................................................................... 800—860 Амплитуда импульса тока накачки, А, не более .............................................. 45 Длительность импульса тока накачки по уровню 0,5, нс................................ 120 Неравномерность освещенности по горизонтали
и вертикали при угле подсветки 6°, %, не выше ........................................ 5
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
86 Б. И. Авдоченко, В. Ф. Коновалов
Для питания экрана ЭОП используется регулируемый высоковольтный блок питания (БПРВ-6) напряжением 6000 В.
Для оценки эффективности использования активно-импульсного режима работы телевизионной системы предусмотрен переход к обычному режиму работы, при котором к МКП подключается постоянное напряжение 1000 В, поступающее с блока питания регулируемого высоковольтного БПРВ-1, а к ФК — постоянное напряжение 400 В с БПРВ-0,4. В целях установки оптимальных режимов работы ЭОП предусмотрена регулировка напряжений БПРВ-1 и БПРВ-0,4 в широких пределах. Регулируемые высоковольтные источники питания содержат регулируемый стабилизатор напряжения, импульсный преобразователь напряжения, умножитель напряжения и выходной фильтр.
Основные характеристики блоков питания
Диапазон изменения выходных напряжений, В: БПРВ-1 ........................................................................................................ 200—1000 БПРВ-0,4 .....................................................................................................±(100…400)
Максимальный выходной ток, мА .................................................................... 15 Напряжение питания, В...................................................................................... 12
Для перехода в активно-импульсный режим используются переключатели режимов МКП и ФК. Запуск телевизионной системы в импульсном режиме работы производится импульсом ТТЛ-уровня, поступающим с устройства синхронизации с задержкой, соответствующей времени прохождения импульса подсветки до зоны наблюдения и обратно.
Для исключения влияния формы и амплитуды импульса запуска на импульсы напряжения питания используется входной формирователь. Импульсом с выхода формирователя запускаются два независимых источника питания. Импульсный источник питания МКП состоит из выполненного на логических элементах формирователя импульса регулируемой длительности, драйвера импульса управления высоковольтным коммутатором, выполненного на специализированной микросхеме, и высоковольтного коммутатора на мощном MOSFET транзисторе, который кратковременно подключает блок питания БПРВ-1 к микроканальным пластинам.
Импульсный источник питания ФК включается через электронную линию задержки, выполненную на логических элементах, что необходимо для определения момента окончания переходных процессов при записи информации, а также точного определения времени считывания информации относительно времени поступления импульса питания МКП. Схемы формирователей длительности импульса и драйверов источника питания ФК и МКП идентичны. Для подачи постоянного положительного напряжения смещения на фотокатод, позволяющего увеличить чувствительность ЭОП, используется формирователь с регулируемым уровнем выходного напряжения.
Основные технические характеристики импульсного источника питания МКП
Напряжение питания формирователей, электронной схемы задержки и драйверов, В ......................................... 12
Диапазон изменения длительности выходного импульса, нс ......................... 100—500 Диапазон изменения выходного напряжения, В ..............................................200—1000
Основные технические характеристики импульсного источника питания ФК
Диапазон изменения длительности выходного импульса, нс ......................... 50—300 Диапазон изменения фронта и спада выходного импульса, нс ...................... 10—100 Диапазон изменения выходного напряжения, В ..............................................–(100…400) Напряжение смещения ФК положительной полярности, В............................ 0—80
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Блок питания для активно-импульсной телевизионной системы
87
Нестабильность амплитуды выходных напряжений и тока накачки источника подсветки
не более 1 % при изменении температуры среды от 20 до 30 °С. Разработанный импульсный источник питания используется для проведения экспери-
ментальных исследований АИТВС по повышению чувствительности и точности преобразования оптического изображения в видеосигнал в сложных условиях наблюдения. Возможность изменения в широком диапазоне временных и энергетических параметров импульсов позволила разработать универсальную исследовательскую телевизионную систему.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов В. В., Белоусов В. С., Борисов Б. Д. и др. Активно-импульсные телевизионные системы „Зонд“ и „Обзор“ // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48, № 11. С. 51—53.
2. Креопалов В. И. Устройства лазерного подсвета для активно-импульсных приборов ночного видения // Специальная техника. 2006. № 6. С. 6—11.
Сведения об авторах
Борис Иванович Авдоченко
— канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет сис-
тем управления и радиоэлектроники, кафедра радиоэлектроники и
защиты информации; E-mail: AvdochenkoBI@rzi.tusur.ru
Владимир Федорович Коновалов — канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет сис-
тем управления и радиоэлектроники, кафедра телевидения и управле-
ния
Рекомендована кафедрой телевидения и управления
Поступила в редакцию 14.04.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
УДК 621.373.54; 621.314.1
Б. И. АВДОЧЕНКО, В. Ф. КОНОВАЛОВ
БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ АКТИВНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ
Представлен универсальный блок питания для проведения экспериментальных исследований активно-импульсной телевизионной системы. Блок питания используется для накачки лазерного инфракрасного прожектора и быстрого синхронного заряда емкостей микроканальной пластины и фотокатода электронного оптического преобразователя. Ключевые слова: телевизионная система, активный импульсный режим, инфракрасный прожектор, большие импульсные токи, короткие импульсы, структурная схема, технические характеристики.
В настоящее время всепогодные приборы видеонаблюдения и распознавания объектов находят широкое применение в науке и технике. Благодаря развитию микроэлектроники появились малогабаритные электронно-оптические преобразователи (ЭОП) с коэффициентом усиления в несколько десятков тысяч, а также твердотельные преобразователи „свет— сигнал“ (ПСС), имеющие высокую чувствительность и разрешающую способность. Стало возможным использование телевизионных систем в условиях недостаточной освещенности объекта, воздействия интенсивных световых помех и ограниченной видимости из-за тумана, дождя, снегопада и т.д. В этих условиях необходимо обеспечить повышенную точность преобразования оптического изображения в видеосигнал, несущий информацию о координатах, размерах и яркостных характеристиках объектов.
Одним из наиболее перспективных вариантов, позволяющих обеспечить повышение точности работы телевизионных систем в сложных условиях наблюдения, является использование активно-импульсного режима работы [1]. В таком режиме благодаря методу пространственной селекции устраняются фоновая составляющая видеоизображения и оптические фоновые помехи, появляется возможность накопления данных и использования других способов обработки сигнала.
Для обеспечения импульсного режима работы телевизионной системы необходимо наличие мощного импульсного источника подсветки, работающего, как правило, в инфракрасном (ИК) диапазоне [2], и установление импульсного синхронного режима считывания информации, поступающей от ЭОП и преобразователя „свет—сигнал“. Запуск источника подсветки синхронизируется строчными синхроимпульсами телевизионной камеры, а импульсы управления ЭОП задерживаются относительно импульсов подсветки на время распространения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
84 Б. И. Авдоченко, В. Ф. Коновалов
излучения до зоны наблюдения и обратно. Длительность оптических импульсов подсветки и электрических импульсов, подаваемых на ЭОП и ПСС, определяется размерами объектов или зон наблюдения и может составлять от единиц до десятков наносекунд.
Для повышения точности измерений характеристик объектов и уменьшения потребляемой мощности требуется быстрое установление необходимого уровня напряжений, обеспечивающих оптимальные режимы работы активно-импульсной телевизионной системы (АИТВС). При известной зависимости тока заряда от времени время заряда t1 емкости C до напряжения U определяется выражением
t1
∫ I (t)dt = CU ,
0
откуда следует, что источник питания АИТВС за единицы—десятки наносекунд должен передавать в нагрузку импульсные токи в десятки—сотни ампер.
Особенностями разработанного источника питания, предназначенного для исследования точности преобразования оптического изображения в видеосигнал в сложных условиях наблюдения, являются широкий диапазон изменения временных и энергетических параметров импульсов и большие (до 100 А) импульсные токи, необходимые для накачки ИКисточника подсветки, быстрого заряда емкостей микроканальной пластины (МКП) и фотокатода (ФК) ЭОП.
Диаграмма взаимного расположения импульса подсветки, отраженного от объекта наблюдения, импульса, подаваемого на МКП, и импульса стробирования ФК приведена на рис. 1, где t1 — момент начала излучения импульса подсветки; t1—t2 — время прохождения импульса подсветки до зоны наблюдения и обратно; t2— t7 — время подсветки зоны наблюдения; t3— t6 — длительность импульса МКП; t4 — t5 — длительность импульса ФК.
K
t
t1
t2
t3
t4 t5 t6
t7
Рис. 1
Временное положение импульса запуска источников питания МКП и ФК, поступающе-
го с управляемой задержкой с устройства синхронизации, соответствует дальности до зоны
наблюдения. Два импульса, поступающие с этих источников питания, жестко связаны во
времени. Для сдвига импульса питания ФК относительно импульса питания МКП предусмот-
рена плавная регулируемая задержка до 100 нс. Импульс питания МКП предназначен для по-
лучения ускоряющего напряжения питания ЭОП. В целях оптимизации коэффициента преоб-
разования ЭОП при передаче изображения темных предметов в сложных условиях наблюде-
ния предусмотрена регулировка длительности и амплитуды импульса. Импульс питания ФК
используется для его стробирования, что позволяет производить выборку зоны наблюдения и
устранять фоновую составляющую видеоизображения и оптические помехи.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Блок питания для активно-импульсной телевизионной системы
85
Структурная схема источника питания активной импульсной телевизионной системы приведена на рис. 2.
Запуск импульсного источника подсветки (ИК-прожектора) производится положительным фронтом входного импульса ТТЛ-уровня, поступающего с устройства синхронизации. В состав импульсного источника подсветки входят: регулируемый блок питания БПР (преобразователь напряжения), формирователь длительности оптического ИК-импульса, драйвер транзистора коммутатора, коммутатор импульсов тока накачки и импульсный лазерный ИКпрожектор на основе инжекционной многомодовой решетки Л-13 со встроенным оптическим интегратором.
Входной Входной формирователь импульс синхронизатора
Формирователь длительности импульса МКП
Электронная линия
задержки
Драйвер МКП
Формирователь длительности импульса ФК
Драйвер ФК
Коммутатор МКП
Коммутатор ФК
К МКП
+ 12 В
БПРВ-1
БПР БПРВ-6
Переключатель режима МКП
БПРВ-0,4
Переключатель режима ФК
К ФК
К экрану ОЭП
Схема напряжения смещения ФК
Входной импульс
Формирователь длительности ИК-импульса
Драйвер импульса накачки
Коммутатор импульсов тока накачки
Импульсный лазерный
Оптический импульс
ИК-прожектор
запуска прожектора
Рис. 2
Преобразователь напряжения предназначен для получения необходимого напряжения
питания для коммутатора импульсов тока накачки и представляет собой двухтактную схему,
управляемую интегральным ШИМ-контроллером. Изменение коэффициента передачи цепи
обратной связи позволяет изменять выходное напряжение преобразователя от 50 до 160 В и
управлять оптической мощностью лазерного прожектора в широких пределах.
Схема коммутатора импульсов тока накачки лазерной решетки выполнена на основе
мощного MOSFET транзистора. Такой транзистор имеет большую входную емкость, поэтому
для быстрого включения транзистора использован 9-амперный быстродействующий драйвер,
который обеспечивает время включения/выключения коммутатора не более 20 нс.
Технические характеристики лазерного прожектора
Импульсная оптическая мощность, Вт, не менее ............................................ 320 Длина волны излучения, нм............................................................................... 800—860 Амплитуда импульса тока накачки, А, не более .............................................. 45 Длительность импульса тока накачки по уровню 0,5, нс................................ 120 Неравномерность освещенности по горизонтали
и вертикали при угле подсветки 6°, %, не выше ........................................ 5
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
86 Б. И. Авдоченко, В. Ф. Коновалов
Для питания экрана ЭОП используется регулируемый высоковольтный блок питания (БПРВ-6) напряжением 6000 В.
Для оценки эффективности использования активно-импульсного режима работы телевизионной системы предусмотрен переход к обычному режиму работы, при котором к МКП подключается постоянное напряжение 1000 В, поступающее с блока питания регулируемого высоковольтного БПРВ-1, а к ФК — постоянное напряжение 400 В с БПРВ-0,4. В целях установки оптимальных режимов работы ЭОП предусмотрена регулировка напряжений БПРВ-1 и БПРВ-0,4 в широких пределах. Регулируемые высоковольтные источники питания содержат регулируемый стабилизатор напряжения, импульсный преобразователь напряжения, умножитель напряжения и выходной фильтр.
Основные характеристики блоков питания
Диапазон изменения выходных напряжений, В: БПРВ-1 ........................................................................................................ 200—1000 БПРВ-0,4 .....................................................................................................±(100…400)
Максимальный выходной ток, мА .................................................................... 15 Напряжение питания, В...................................................................................... 12
Для перехода в активно-импульсный режим используются переключатели режимов МКП и ФК. Запуск телевизионной системы в импульсном режиме работы производится импульсом ТТЛ-уровня, поступающим с устройства синхронизации с задержкой, соответствующей времени прохождения импульса подсветки до зоны наблюдения и обратно.
Для исключения влияния формы и амплитуды импульса запуска на импульсы напряжения питания используется входной формирователь. Импульсом с выхода формирователя запускаются два независимых источника питания. Импульсный источник питания МКП состоит из выполненного на логических элементах формирователя импульса регулируемой длительности, драйвера импульса управления высоковольтным коммутатором, выполненного на специализированной микросхеме, и высоковольтного коммутатора на мощном MOSFET транзисторе, который кратковременно подключает блок питания БПРВ-1 к микроканальным пластинам.
Импульсный источник питания ФК включается через электронную линию задержки, выполненную на логических элементах, что необходимо для определения момента окончания переходных процессов при записи информации, а также точного определения времени считывания информации относительно времени поступления импульса питания МКП. Схемы формирователей длительности импульса и драйверов источника питания ФК и МКП идентичны. Для подачи постоянного положительного напряжения смещения на фотокатод, позволяющего увеличить чувствительность ЭОП, используется формирователь с регулируемым уровнем выходного напряжения.
Основные технические характеристики импульсного источника питания МКП
Напряжение питания формирователей, электронной схемы задержки и драйверов, В ......................................... 12
Диапазон изменения длительности выходного импульса, нс ......................... 100—500 Диапазон изменения выходного напряжения, В ..............................................200—1000
Основные технические характеристики импульсного источника питания ФК
Диапазон изменения длительности выходного импульса, нс ......................... 50—300 Диапазон изменения фронта и спада выходного импульса, нс ...................... 10—100 Диапазон изменения выходного напряжения, В ..............................................–(100…400) Напряжение смещения ФК положительной полярности, В............................ 0—80
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Блок питания для активно-импульсной телевизионной системы
87
Нестабильность амплитуды выходных напряжений и тока накачки источника подсветки
не более 1 % при изменении температуры среды от 20 до 30 °С. Разработанный импульсный источник питания используется для проведения экспери-
ментальных исследований АИТВС по повышению чувствительности и точности преобразования оптического изображения в видеосигнал в сложных условиях наблюдения. Возможность изменения в широком диапазоне временных и энергетических параметров импульсов позволила разработать универсальную исследовательскую телевизионную систему.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов В. В., Белоусов В. С., Борисов Б. Д. и др. Активно-импульсные телевизионные системы „Зонд“ и „Обзор“ // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48, № 11. С. 51—53.
2. Креопалов В. И. Устройства лазерного подсвета для активно-импульсных приборов ночного видения // Специальная техника. 2006. № 6. С. 6—11.
Сведения об авторах
Борис Иванович Авдоченко
— канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет сис-
тем управления и радиоэлектроники, кафедра радиоэлектроники и
защиты информации; E-mail: AvdochenkoBI@rzi.tusur.ru
Владимир Федорович Коновалов — канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет сис-
тем управления и радиоэлектроники, кафедра телевидения и управле-
ния
Рекомендована кафедрой телевидения и управления
Поступила в редакцию 14.04.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9