Например, Бобцов

Гамма-коррекция амплитудной характеристики видеотракта телевизионного пирометра

УДК 621.397.13
ГАММА-КОРРЕКЦИЯ АМПЛИТУДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИДЕОТРАКТА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ПИРОМЕТРА

© 2011 г. А. В. Кузнецов, канд. техн. наук Научно-исследовательский институт промышленного телевидения “Растр”, Великий Новгород E-mail: outling@inbox.ru

Получены выражения, определяющие для установленного коэффициента гаммакоррекции амплитудной характеристики видеотракта квазимонохроматического телевизионного пирометра диапазон измеряемых с заданной точностью температур, а также предельную измеряемую температуру, при известных значениях отношения сигнал/шум телевизионного модуля и канала связи. Показано, что применение гамма-коррекции наиболее целесообразно для расширения диапазона измерений в области температур, близких к предельной или превышающих ее.

Ключевые слова: телевизионный пирометр, видеотракт, гамма-коррекция.

Коды OCIS: 120.6820

Поступила в редакцию 03.06.2010

Максимальная точность измерения, обеспечиваемая телевизионным (ТВ) пирометром, зависит от диапазона измеряемых температур и определяется, в первую очередь, отношением сигнал/шум в его видеотракте. Основные соотношения, связывающие эти величины и позволяющие оптимизировать комплекс требований, предъявляемых к ТВ-пирометру, были проанализированы в работах [1, 2]. Однако при этом не было учтено распределение источников шума, хотя такой учет открывает возможности дальнейшего повышения точности измерения температуры. Действительно, в большинстве случаев шумы в видеотракте ТВ-пирометра могут быть отнесены к двум источникам: ТВмодулю, генерирующему шум с эффективным напряжением uм, и каналу связи, в котором каскады усиления, аналого-цифровое преобразование при вводе видеосигнала в компьютер и помехи, проникающие в канал извне, создают шум с эффективным напряжением uк.
Анализируя такую структуру, можно предположить, что установка на входе канала связи корректора амплитудной характеристики, обеспечивающего подъем усиления в области малых сигналов, позволит улучшить отношение размаха сигнала от объектов с минимальной измеряемой температурой к шуму канала. Тем самым будет достигнуто повышение точности измерения температуры, или при заданной

точности – расширение диапазона измеряемых температур.
Подобная коррекция амплитудной характеристики, использующая степенную зависимость размаха выходного сигнала от размаха входного (при показателе степени как большем, так и меньшем единицы), так называемая гаммакоррекция, широко применяется в телевидении [3], в частности, для компенсации нелинейности преобразования сигнал–свет устройств отображения – кинескопов и жидкокристаллических панелей. В настоящее время встроенные предустановки нескольких режимов гаммакоррекции предусмотрены в большинстве ТВмодулей. Это определяет целесообразность рассмотрения именно гамма-коррекции в качестве средства улучшения эксплуатационных характеристик ТВ-пирометров. Анализ условий оптимальной гамма-коррекции при заданных шумовых и точностных характеристиках квазимонохроматического ТВ-пирометра, а также оценка достижимого выигрыша в широте диапазона или точности измерения температуры и являются целью настоящей работы.
Характеристика преобразования свет– сигнал фотоприемников ТВ-модулей (матриц ПЗС) достаточно линейна. Поэтому, полагая для простоты излучательную способность объекта в пределах диапазона измеряемых температур постоянной, в соответствии с приближе-

“Оптический журнал”, 78, 2, 2011

67

нием Вина [4] характеристика преобразования температура–сигнал ТВ-пирометра с учетом гамма-коррекции может быть представлена в виде

U(T)

=



⎜⎝⎜⎜⎛

B(T) B(Tmax

)

⎟⎟⎠⎟⎞γ

=

=



⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎧⎨exp

⎢⎢⎡⎣⎢

c2 λýôô

⎜⎜⎛⎝⎜Tm1ax



1 T

⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎦⎥⎥⎥⎤⎭⎪⎪⎪⎪⎫⎪⎬γ

,

(1)

где Uб – уровень “белого”, соответствующий максимальной измеряемой температуре Tmax,

В(T) – энергетическая яркость объекта при температуре T, γ – коэффициент гамма-коррекции, с2 = 1,43879×10–2 м K – вторая постоянная излучения, λэфф – эффективная длина волны.
Используем величину эквивалентной шуму
разности температур NETD (noise-equivalent temperature defference) [5]: дифференцируя (1), приравняем приращение сигнала от изменения
температуры, равного NETD, к эффективно-
му напряжению шума на выходе канала связи
uэфф. Полученное выражение определит минимальную измеряемую температуру Tmin при заданных значениях Tmax и NETD

uýôô

=

dU(T) dT

NETD =
T=Tmin

NETD

Uá γ

c2 λýôô Tm2in

⎪⎪⎪⎪⎩⎧⎨⎪exp

⎢⎢⎡⎢⎣

c2 λýôô

⎝⎜⎜⎜⎛Tm1ax

−1 Tmin

⎟⎠⎞⎟⎟⎟⎥⎥⎥⎦⎤⎪⎬⎭⎪⎪⎪⎫⎪γ ,

(2)

где uэфф = (uγ2 + uк2)0,5, uγ – эффективное напряжение шума на выходе гамма-корректора,

зависящее от мгновенного размаха входного

видеосигнала. В соответствии с выражением (1)

можно записать



(T,

Tmax

)=



d db

U(b) Uá

=

= uì

γ

⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎧⎩exp

⎢⎢⎢⎡⎣

c2 λýôô

⎜⎛⎝⎜⎜Tm1ax



1 T

⎠⎞⎟⎟⎟⎟⎥⎦⎥⎥⎤

⎬⎪⎪⎫⎪⎭⎪⎪γ−1,

где b = B(T) / B(Tmax) – нормированная энергетическая яркость объекта.

Тогда квадрат эффективного напряжения

шума на выходе канала связи

uý2ôô (T, Tmax )= uê2 + uγ2(T, Tmax )=

=

uê2 + uì2 γ2

⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎪⎪exp

⎢⎢⎢⎡⎣

c2 λýôô

⎜⎛⎜⎜⎝Tm1ax



1 T

⎟⎟⎟⎟⎞⎠⎥⎤⎥⎥⎦⎫⎪⎬⎪⎪⎭⎪⎪2γ−2.

(3)

Возводя правую часть выражения (2) в квад-

рат и подставляя уравнение (3) при Т = Тmin, после преобразований получим

NETD2

⎝⎜⎜⎜⎜⎛⎜

c2 λýôô Tm2in

⎟⎞⎟⎟⎟⎟⎠2

⎢⎣⎡f (Tmin ,

Tmax

)⎦⎥⎤2γ





1 SNR2ì

⎡⎢⎣f(Tmin, Tmax )⎥⎦⎤2γ−2



1 γ2SNR2ê

=

0,

(4)

где

f (Tmin, Tmax

)=

exp

⎣⎢⎡⎢⎢

c2 λýôô

⎜⎜⎝⎛⎜Tm1ax



1 Tmin

⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎥⎤⎥⎦⎥,

SNRм = Uб/uм – отношение сигнал/шум ТВмодуля при γ = 1, SNRк = Uб/uк – отношение сигнал/шум канала связи.

Полученное выражение (4) определяет для известных коэффициента гамма-коррекции и значений отношения сигнал/шум ТВ-модуля и канала связи диапазон температур (Тmin; Тmax), измеряемых с точностью, заданной значением NETD. Можно показать, что на практике величину NETD можно считать численно равной среднеквадратическому отклонению случайной составляющей основной погрешности пирометра.
Вследствие необходимости согласования максимального размаха сигнала с уровнем “белого” U(Tmax) = Uб при увеличении значения Тmax крутизна зависимости размаха сигнала от температуры снижается, при этом сужается диапазон температур, в котором обеспечивается заданная точность измерений. Для случая отсутствия гамма-коррекции в этом можно убедиться, дифференцируя выражение (1) и подставляя γ = 1 и Т = Тmax

dU(T) dT

= Uá
T=Tmax

c2 λýôôTm2ax

.

(5)

Из формулы (5), в частности, следует, что
выше некоторого предельного значения темпе-
ратуры Тпред, при котором приращение сигнала от приращения температуры, равного NETD, снижается до величины uэфф0 = (u2м + u2к)0,5, измерение с заданной точностью невозможно

uýôô 0

=



c2 λýôô Tï2ðåä

NETD,

откуда

68 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011

Tïðåä =

λ−ýô1ô ñ2 NETD

Uá uýôô0

,

(6)

где Uб/uэфф0 – отношение сигнал/шум на выходе видеотракта при γ = 1.
Аналогичное выражение для Тпред было получено в работе [2] для обобщенного случая многоцветовой пирометрии.
Введение гамма-коррекции увеличивает крутизну характеристики температура–сигнал и тем самым способствует расширению диапазона измерений. Однако зависимость этой крутизны от γ имеет максимум, зависящий от измеряемых температур и определяющий оптимальное значение γопт. Действительно, приравняв к нулю производную зависимости (1)

d2U(T, dTdγ

γ)

=

0,

получим при Т = Тmin

γîïò

=

λýôô c2

1 1/Tmin −1/Tmax

.

(7)

Таким образом, при подстановке γ = γопт из формулы (7) в уравнение (4) получим выражение, позволяющее при известных значениях отношения сигнал/шум ТВ-модуля и канала связи для максимальной температуры Тmax, определить достижимую с использованием гамма-коррекции минимальную температуру Тmin, измеряемую с точностью, заданной значением NETD.
В свою очередь, соответствующее оптимальное значение γопт может быть определено из формулы (7) на основании уже известных значений Тmin и Тmax.
В отсутствие шумов канала связи гаммакоррекция не влияет на точность или границы диапазона измеряемых температур, поскольку приводит к одинаковому изменению коэффициента передачи как видеосигнала, так и шумов ТВ-модуля. Действительно, при SNRм 1 не только обеспечивает существенное расширение диапазона, но и делает возможным само измерение с заданной точностью. Так, например, при NETD = 1 K и Тmax = 2000 K (см. кривые 1 и 2), введение коррекции при γопт = 2,715 расширяет диапазон измерений почти в два раза (на 97%), а при температуре Тmax от Тпред = 2157 K до 2600 K (см. кривую 2) измерение без коррекции вообще невозможно.
Таким образом, применение гамма-коррекции в ТВ-пирометре, по-видимому, наиболее оправданно при необходимости расширения диапазона измеряемых температур в области значений, сопоставимых с Тпред.

Выводы
Получены выражения (4) и (7), устанавливающие для известных значений отношения сигнал/шум ТВ-модуля и канала связи диапазон температур, измеряемых с заданной точностью при введении в видеотракт ТВ-пирометра гамма-коррекции, а также определяющие оптимальное значение коэффициента гамма-коррекции γопт.
Показано, что для встречающихся на практике значений отношения сигнал/шум ТВмодуля и канала связи применение гаммакоррекции при γопт < 1, как правило, нецелесообразно. Однако, при необходимости измерения температур, сопоставимых с предельным значением Тпред, определяемым выражением (6), коррекция при γопт > 1 обеспечивает существенное расширение диапазона измерений. При максимальной измеряемой температуре Тmax > Тпред измерение без гамма-коррекции невозможно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов А.В. Оценка диапазона измерений телевизионного монохроматического пирометра // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 1. С. 39–42.
2. Кузнецов А.В. Оценка диапазона измерений телевизионного пирометра спектрального отношения // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 4. С. 50–54.
3. Лейтес Л.С. Аппаратура формирования сигнала черно-белого телевидения. М.: Связь, 1970. 464 с.
4. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 297 с.
5. Ллойд Дж. Системы тепловидения: Пер. с англ. / Под ред. Горячева А.И. М.: Мир, 1978. 414 с.
6. Горелик С.Л., Кац Б.М., Киврин В.И. Телевизионные измерительные системы. М.: Связь, 1980. 168 с.
7. Технические описания ТВ камер черно-белого изображения компании WATEC. – С сайта http//: www.watec.com/english/bw_top.html.

70 “Оптический журнал”, 78, 2, 2011