Фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С КОМПЕНСАЦИЕЙ РАЗБРОСА ПАРАМЕТРОВ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) Фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов, содержащее блок многоэлементного фотоприемника, последовательно соединенные управляемый усилитель и блок выборки и хранения, выход которого является информационным выходом устройства, а также синхрогенератор, адресный счетчик, первый и второй блоки оперативной памяти, имеющие раздельные или совмещенные входы и выходы, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи, первый и второй компараторы, пороговый блок, при этом выход синхрогенератора соединен с синхровходом блока многоэлементного фотоприемника и входом адресного счетчика, выход которого подключен к адресным входам первого и второго блоков оперативной памяти, вход первого блока оперативной памяти подключен к выходу первого реверсивного счетчика, а выход первого блока оперативной памяти - к входу первого реверсивного счетчика и к входу первого цифро-аналогового преобразователя, первый вход второго блока оперативной памяти подключен к выходу второго реверсивного счетчика, а первый выход второго блока оперативной памяти - к входу второго реверсивного счетчика и к входу второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому управляющему входу управляемого усилителя, выход первого компаратора подключен к управляющему входу первого реверсивного счетчика,первый вход второго компаратора подключен к шине опорного уровня, а выход - к управляющему входу второго реверсивного счетчика, отличающееся тем, что в него введен блок фильт 3539 1 рации, причем его вход соединен с выходом управляемого усилителя, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу первого компаратора, к второму входу второго компаратора и к входу порогового блока, выход которого подключен к второму входу второго блока оперативной памяти,второй выход второго блока оперативной памяти подключен к управляющему входу блока выборки и хранения, выход первого цифро-аналогового преобразователя подключен к второму управляющему входу управляемого усилителя, информационный вход которого подключен к выходу блока многоэлементного фотоприемника, а второй вход первого компаратора - к шине уровня привязки. Изобретение относится к оптической электронике и может использоваться в телевизионных и тепловизионных системах, измерительных системах, содержащих линейные и матричные фотоприемники. Известно устройство для компенсации неоднородностей в сканирующих системах 1, которое содержит матричный фотоприемник, интегратор, два дифференциальных усилителя, аналоговый делитель, сумматор,аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, синхрогенератор,источник опорного напряжения. Однако в этом устройстве имеется ошибка компенсации за счет нелинейности делителя аналоговых сигналов и неидентичных характеристик аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей. Известно также устройство для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников 2, содержащее формирователь тактовых импульсов, матрицу фотоприемников, интегратор, суммирующий усилитель, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, источник опорного напряжения,компаратор, логический блок и коммутатор. Устройство для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников 3 содержит синхрогенератор, матрицу фотоприемников, интегратор, суммирующий усилитель, блок памяти,цифро-аналоговый преобразователь, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, в состав которого входят счетчик кадров, триггер, дешифратор, логические элементы НЕ, ИЛИ, И. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов многоэлементного приемника 4, содержащее последовательно соединенные синхрогенератор, блок многоэлементного фотоприемника (многоэлементный фотоприемник и устройство предварительной обработки сигнала), сумматор, управляемый(регулируемый) усилитель, блок выборки и хранения, а также адресный счетчик, первый, второй и третий блоки оперативной памяти, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи, первый и второй компараторы, пороговый блок, нулевую шину, шину опорного уровня(источник опорного напряжения). По составу входящих узлов заявляемое устройство отличается от устройства 4 наличием блока фильтрации и отсутствием третьего блока оперативной памяти и сумматора. Недостатком устройства 4 (а также устройств 1-3) является невысокая эффективность (точность) компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов, вызванная наличием напряжения шума на выходе многоэлементного фотоприемника. Повышение отношения сигнал/шум устройством предварительной обработки сигнала недостаточно, так как его полоса пропускания выбирается достаточно широкой для пропускания полезного спектра частот видеосигнала. Широкую полосу пропускания имеют также сумматор и управляемый усилитель, к выходам которых подключены входы компараторов. Последние сравнивают полезные сигналы с невысокой точностью из-за наличия повышенного шумового напряжения на их входах, что в конечном итоге снижает эффективность (точность) компенсации разброса параметров. Целью изобретения является повышение эффективности (точности) компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов за счет повышения отношения сигнал/шум в тракте формирования кода компенсации и кода коррекции. Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов, содержащее блок многоэлементного фотоприемника, оледвательн соединенные упвлямый усилитель и блок выборки и хранения, выход которого является информационным выходом устройства, а также ингенеатор, адресный счетчик, первый и второй блоки оперативной пмяти, имеющие раздельные или совмещенные входы и выходы, первый и второй реверсивные счетчики,первый и второй цифро-аналоговые преобразователи, первый и второй компараторы, пороговый блок, при 3539 1 этом выход синхрогенератора соединен с синхровходом блока многоэлементного фотоприемника и выходом адресного счетчика, выход которого подключен к адресным входам первого и второго блоков оперативной памяти, вход первого блока оперативной памяти подключен к выходу первого реверсивного счетчика, а выход первого блока оперативной памяти - к входу первого реверсивного счетчика и к входу первого цифроаналогового преобразователя, первый вход второго блока оперативной памяти подключен к выходу второго реверсивного счетчика, а первый выход второго блока оперативной памяти - к входу второго реверсивного счетчика и к входу второго цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен к первому управляющему входу управляемого усилителя, выход первого компаратора подключен к управляющему входу первого реверсивного счетчика, первый вход второго компаратора подключен к шине опорного уровня, а выход - к управляющему входу второго реверсивного счетчика, введен блок фильтрации, причем его вход соединен с выходом управляемого усилителя, а первый, второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу первого компаратора, к второму входу второго компаратора и к входу порогового блока, выход которого подключен к второму входу второго блока оперативной памяти, второй выход второго блока оперативной памяти подключен к управляющему входу блока выборки и хранения, выход первого цифро-аналогового преобразователя подключен к второму управляющему входу управляемого усилителя,информационный вход которого подключен к выходу блока многоэлементного фотоприемника, а второй вход первого компаратора - к шине уровня привязки. Все признаки заявляемого устройства, отличительные от прототипа, являются достаточными во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. В заявляемое устройство дополнительно введен известный элемент, но его введение в указанной связи с остальными элементами приводит к повышению эффективности (точности) компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов приемника за счет повышения отношения сигнал/шум в тракте формирования кодов коррекции. На фигуре представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства. Фотоприемное устройство с компенсацией разброса параметров фоточувствительных элементов содержит блок 1 многоэлементного фотоприемника, включающий в себя многоэлементный фотоприемник и устройство предварительной обработки сигнала, управляемый усилитель 2, блок 3 выборки и хранения, первый 4 и второй 5 блоки оперативной памяти, первый 6 и второй 7 реверсивные счетчики, имеющие по выходу третье высокоимпедансное состояние, первый 8 и второй 9 цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), блок 10 фильтрации, первый 11 и второй 12 компараторы, пороговый блок 13, имеющий по выходу третье высокоимпедансное состояние, синхрогенератор 14, адресный счетчик 15, шину 16 уровня привязки, шину 17 опорного уровня. Первый управляющий вход управляемого усилителя 2 предназначен для изменения коэффициента передачи, второй - для смещения постоянного напряжения на выходе усилителя. Блок 10 фильтрации строится на базе электрических фильтров (или одного фильтра) нижних частот или полосовых фильтров, или фильтров иного типа. Фильтрация сигнала осуществляется аналоговым, аналого-цифровым, цифровым или иным способом. В качестве фильтра могут быть использованы интегратор, усреднитель. В блоке 10 фильтрации возможно использование временной селекции полезного сигнала. Блок 3 выборки и хранения может быть построен на базе параллельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и подключенного к его выходу регистра, причем управляющим входом этого блока будет служить вход разрешения параллельной записи регистра. Блок 3 может также содержать элемент задержки управляющего сигнала в связи с задержкой информации в АЦП. Устройство работает следующим образом. В течение периода формирования кадра изображения (периода кадров) существуют три режима работы устройства режим формирования кода компенсации дрейфа уровня черного (или уровня привязки) для каждого фоточувствительного элемента, режим формирования кода коррекции чувствительности для каждого фоточувствительного элемента и режим коррекции, в течение которого формируется рабочий информационный видеосигнал. Если параметры фотоприемника блока 1 изменяются с течением времени под воздействием внешних условий не столь быстро, указанные два первых режима могут существовать не в каждом периоде кадров. В этих двух режимах или в одном из них также определяются номера дефектных элементов, информация о которых записывается в блок 5 оперативной памяти. В любом режиме работы под воздействием синхроимпульсов синхрогенератора 14 и с помощью адресного счетчика 15 осуществляется последовательная выборка адреса ячеек блоков 4, 5 оперативной памяти синхронно со считыванием сигнала с фоточувствительных элементов (в дальнейшем - элемент) блока 1. Для каждого элемента блока 1 имеется одна ячейка памяти в блоке 4 для хранения кода компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки), одна ячейка памяти в блоке 5 для хранения кода коррекции чувствительности и одна ячейка памяти в блоке 5 для хранения информации элемент является дефектным или работоспособным. В начале работы в ячейки памяти блоков 4, 5 записываются средние значения кодов компенсации и коррекции. Формирование кодов для каждого элемента блока 1 осуществляется методом 3 3539 1 последовательных приближений. В зависимости от типа многоэлементного фотоприемника и предназначения системы, в которую входит рассматриваемое устройство, блок 1 может выполнять также функции усиления, фильтрации, интегрирования, привязки, коммутации, выборки и т. д. сигналов элементов фотоприемника. Рассмотрим режим формирования кода компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки) для каждого элемента блока 1, при котором фотоприемник или затемняется, или на него падает равномерный поток излучения, задающий уровень черного (или уровень привязки) в устройстве. Пусть в этом режиме на вход управляемого усилителя 2 поступает сигнал с выхода блока 1, соответствующий первому элементу. Одновременно с первой ячейки блока 4 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания,считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 8 и в параллельном виде - в реверсивный счетчик 6, который в это время по выходу находится в третьем высокоимпедансном состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 8 поступает на второй управляющий вход управляемого усилителя 2. Сигнал с его выхода поступает на вход блока 10 фильтрации, один из выходных сигналов которого сравнивается на компараторе 11 с уровнем привязки шины 16. В частном случае этот уровень может иметь нулевую величину. Полоса пропускания блока 10 фильтрации для сигнала уровня черного (или уровня привязки) выбирается исходя из времени воздействия 1 потока излучения, задающего уровень черного (привязки), на фоточувствительный элемент, в течение которого с того элемента считывается сигнал. При этом ширина по 1, и она уже, чем ширина полосы пропус 1 кания основного тракта (блок 1, управляемый усилитель 2) при увеличенном времени 1. В результате лосы пропускания блока 10 для этого сигнала примерно равна фильтрации повышается отношение сигнал/шум на первом входе компаратора 11. Результат сравнения с его выхода в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 6,причем если величина сигнала на первом входе компаратора 11 больше величины уровня сигнала шины 16,содержимое реверсивного счетчика уменьшается, если меньше - увеличивается. После этого блок 4 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третье, высокоимпедансное состояние по выходу реверсивного счетчика 6 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 6 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое первой ячейки блока 4 оперативной памяти обновляется. При поступлении на вход управляемого усилителя 2 сигналов, соответствующих другим элементам блока 1, процесс повторяется по описанному выше алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 4 оперативной памяти. Очевидно, что с увеличением числа опросов каждого элемента блока 1 величина сигнала на первом входе компаратора 11 будет приближаться к величине уровня сигнала шины 16 и сравняется с ней в последующих кадрах изображения. Осуществится привязка сигнала и с выхода управляемого усилителя 2. Для обеспечения возможности работы ЦАП 8 в биполярном режиме учитывается инверсное значение старшего разряда реверсивного счетчика 6, выполняющего роль знакового разряда. Сформированный код компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки) для каждого элемента блока 1 хранится в ячейках блока 4 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра (или не столь часто, а через некоторое время) с изменением не более чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента блока 1. В режиме формирования кода коррекции чувствительности для каждого элемента блока 1 на фотоприемник подается равномерный поток излучения, который по величине превышает поток, подающийся на фотоприемник в предыдущем режиме. Величина опорного уровня сигнала шины 17 должна быть больше величины уровня сигнала шины 16. В этом режиме реверсивный счетчик 6 по выходу находится в третьем состоянии, а блок 4 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки) для каждого элемента блока 1. Считываемый код записывается в ЦАП 8 синхронно со считыванием сигнала с элементов блока 1. Пусть в этом режиме на вход управляемого усилителя 2 поступает сигнал с выхода блока 1, соответствующий первому элементу. Одновременно с первой ячейки блока 5 оперативной памяти, находящегося в это время в режиме считывания, считывается параллельный код и записывается во внутренний регистр ЦАП 9 и в параллельном виде - в реверсивный счетчик 7, который в это время по выходу находится в третьем состоянии. Выходной аналоговый сигнал ЦАП 9 поступает на первый управляющий вход управляемого усилителя 2,который под действием управляющего сигнала изменяет свой коэффициент передачи. Выходной сигнал управляемого усилителя 2 поступает на вход блока 10 фильтрации, один из выходных сигналов которого сравнивается на компараторе 12 с опорным уровнем сигнала шины 17. Полоса пропускания блока 10 фильтрации для полезного сигнала выбирается исходя из времени воздействия 2 потока излучения в этом 3539 1 режи ме на фоточувствительный элемент, в течение которого с этого элемента считывается сигнал. При этом, и она уже, чем ширина полосы пропуска 2 ния основного тракта (блок 1, управляемый усилитель 2) при увеличенном времени 2. В результате фильтширина полосы блока 10 для этого сигнала примерно равна рации повышается отношение сигнал/шум на входе компаратора 12. Результат сравнения с его выхода в виде логического нуля или единицы поступает на управляющий вход реверсивного счетчика 7. Пусть коэффициент передачи управляемого усилителя 2 увеличивается с увеличением управляющего напряжения на его первом входе. Тогда, если величина сигнала на втором входе компаратора 12 больше величины опорного уровня сигнала шины 17, содержимое реверсивного счетчика 7 уменьшается, если меньше - увеличивается. После того блок 5 оперативной памяти переводится в режим записи информации, третье состояние по выходу реверсивного счетчика 7 снимается и его содержимое записывается в первую ячейку. Затем реверсивный счетчик 7 вновь переводится по выходу в третье состояние. Таким образом, содержимое первой ячейки блока 5 оперативной памяти обновляется. При поступлении на вход управляемого усилителя 2 сигналов, соответствующих другим элементам блока 1, процесс повторяется по описанному алгоритму, но при этом обновляется информация в других ячейках блока 5 оперативной памяти. С увеличением числа опросов каждого элемента блока 1 величина сигнала на втором входе компаратора 12 будет приближаться к величине опорного уровня сигнала шины 17 и сравняется с ней в последующих кадрах изображения. Если коэффициент передачи блока 10 фильтрации равен единице, то и сигнал на выходе управляемого усилителя 2 сравняется по величине с опорным уровнем сигнала шины 17. Таким образом, для каждого элемента блока 1 методом последовательных приближений будет сформирован свой код коррекции чувствительности, который хранится в соответствующей ячейке блока 5 оперативной памяти и уточняется в каждом новом периоде формирования кадра (или не столь часто, а через некоторое время) с изменением не более чем на единицу младшего разряда при однократном опросе элемента. В режиме формирования кода компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки) для каждого элемента блока 1 реверсивный счетчик 7 по выходу находится в третьем состоянии, а блок 5 оперативной памяти работает только в режиме считывания кода коррекции чувствительности. В режиме коррекции, в течение которого формируется рабочий информационный видеосигнал, реверсивные счетчики 6, 7 находятся по выходу в третьем состоянии, а с ячеек блоков 4, 5 оперативной памяти считываются коды и осуществляется их запись во внутренние регистры ЦАП 8, 9 синхронно со считыванием сигнала с элементов блока 1. Таким образом, для каждого элемента блока 1 будет выставлен свой код компенсации дрейфа уровня черного (уровня привязки) и свой код коррекции чувствительности, что в итоге приводит к компенсации разброса параметров работоспособных фоточувствительных элементов блока 1. Дефектные элементы блока 1 фиксируются пороговым блоком 13 при поступлении на его вход сигнала с одного из выходов блока 10 фильтрации в установившемся режиме, т. е. после окончания формирования кодов компенсации и коррекции. Если дефектные элементы характеризуются тем, что они не выдают никакого сигнала, то пороговый блок строится на базе одного компаратора, на второй вход которого подан определенный пороговый уровень сигнала. В режиме формирования кода коррекции чувствительности дефектные элементы будут зафиксированы пороговым блоком 13, так как сигналы, соответствующие им, не достигнут порогового уровня. Возможно и другое построение порогового блока 13. Когда блок 5 оперативной памяти переводится в режим записи информации, поступающей от реверсивного счетчика 7, третье состояние по выходу порогового блока 13 снимается и информация о дефектных элементах (в виде логического 0 или логической 1) поступает на второй вход-выход блока 5 оперативной памяти и записывается в ячейки, относящиеся к этим элементам блока 1. В режиме коррекции, в течение которого формируется рабочий информационный видеосигнал, информация о дефектных элементах в виде логического 0 или логической 1 считывается с блока 5 оперативной памяти и поступает на управляющий вход блока 3 выборки и хранения, на основной вход которого поступает видеосигнал с выхода управляемого усилителя 2. Блок 3 выборки и хранения осуществляет выборку видеосигнала с частотой считывания сигнала с элементов блока 1. В момент времени, приходящийся на считывание сигнала с дефектного элемента, появляется сигнал со второго входа-выхода блока 5 оперативной памяти,под действием которого запрещается осуществление выборки видеосигнала блоком 3. В результате этого на выходе блока 3 сохраняется сигнал, соответствующий предыдущему элементу блока 1. Таким образом, происходит замена сигнала от дефектного элемента на сигнал от предыдущего элемента, т. е. искусственное восстановление сигналов дефектных элементов. Откорректированный видеосигнал в режиме коррекции присутствует на выходе блока 3. Очередность режимов работы в течение периода формирования кадра не имеет существенного значения и зависит от построения системы, в которую входит фотоприемное устройство. Повышение отношения сигнал/шум на 5 3539 1 вхо де компаратора 11 (12) и на входе порогового блока 13 равно корню квадратному из отношения величины полосы пропускания основного тракта к величине полосы пропускания блока фильтрации 10. Такое повышение приводит к повышению точности формирования кодов компенсации и коррекции, а значит и к повышению эффективности (точности) компенсации разброса параметров фоточувствительных элементов. Разброс параметров элементов, вызванный изменением внешних условий эксплуатации, также компенсируется. Если в процессе эксплуатации фотоприемного устройства возникли новые дефектные элементы, то сигналы от них также искусственно восстанавливаются. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6