Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра оптико-электронных приборов и систем Г.Н. Грязин

СИСТЕМЫ ПРИКЛАДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)

Санкт-Петербург

ПРЕДИСЛОВИЕ

5. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА РЕЖИМА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Телевизионные системы, предназначенные для общего обзора пространства и поиска в нем интересующих наблюдателя объектов, составляют основную группу систем прикладного телевидения, как по количеству выпускаемой и вновь проектируемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач. Обзорные (наблюдательные) системы служат для визуального наблюдения и для автоматического обнаружения и опознавания объектов и могут быть черно-белыми, стереоскопическими, цветными, аналоговыми или цифровыми.

С точки зрения экономической целесообразности желательно, чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, то есть быть в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает необходимость автоподстройки режима функционирования системы при изменении внешних условий наблюдения, таких как освещенность, расстояние до объекта и других. Универсальность использования характерна в основном для аппаратуры так называемого промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серийно. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу входят специализированные системы: подводные, малокадровые, фототелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Режим их функционирования выбирается обычно исходя из необходимости решения относительно узкого круга задач.

1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ УСТАНОВКИ

К промышленным телевизионным установкам принято относить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения и контроля за различного рода объектами, находящимися на улице, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях банков, станциях метрополитена и т.д. Универсальность ПТУ позволяет применять их в системах охранной сигнализации, системах технического зрения и в качестве датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной особенностью ПТУ является работа в режиме стандартного разложения с чересстрочной разверткой. ПТУ, как правило, предназначены для работы в видимом диапазоне излучений, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолетовый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.

Структурные схемы современных ПТУ весьма разнообразны и отличаются в основном набором элементов, количество и назначение которых диктуется выполняемыми задачами и допустимой, с позиций заказчика, стоимостью аппаратуры.

На рис. 10.1 представлена схема установки, в комплект которой входят четыре передающие камеры (ПК), два видеоконтрольных устройства (ВКУ), видеомагнитофон (ВМ), два пульта управления (ПУ) и видеокоммутационный центр (ВКЦ). На ВКУ2 одновременно можно наблюдать изображения со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор изображения с любой камеры осуществляется вручную или по заданной программе. Видеомагнитофон подключается с любого пульта управления для регистрации интересующего наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав аппаратуры могут включаться поворотные устройства камер, видеообнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства маскировки камер и т.д. В зависимости от окружающей среды камеры могут термостатироваться, помещаться в герметичные, пылебрызгозащитные, рентгенозащитные или иные специальные корпуса.

В настоящее время в качестве фотопреобразователей для передающих камер ПТУ применяются как трубки класса видикон, так и матрицы ПЗС. Передача полного ТВ сигнала, формируемого в камере, производится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, занимаемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции одной из несущих частот, стандартизированных в ТВ вещании. В последнем случае для воспроизведения изображений оказывается возможным использовать обычные телевизоры, а длина кабеля может достигать одного километра и более.

Передающие камеры ПТУ, как правило, комплектуются предприятиями-изготовителями стандартными объективами, предназначенными для работы в фото- и киноаппаратуре, хотя такую практику с технической точки зрения и нельзя считать оптимальной по следующим причинам. Во-первых, хроматические аберрации таких объективов корректируются в области спектральной чувствительности кинопленки, существенно отличающейся от спектральной чувствительности большинства телевизионных фотопреобразователей. Во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учитывается, что проецирование изображения на фоточувствительную производится в телевизионных камерах через переднее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло матрицы ПЗС. При этом световые пучки, падающие под углами к оптической оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что ухудшает разрешающую способность системы. Это явление сказывается тем больше, чем шире угол зрения объектива. В связи с этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объективов, специально предназначенных для вещательного телевидения и в обозначение которых добавляется буква «Т», например, «МИР-10Т». Однако эти объективы рассчитаны в основном для работы с трубками типа суперортикон, имеющими значительно больший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и матрицы ПЗС. Следует отметить, что в настоящее время практикуется выпуск матриц со стекловолоконным входом вместо обычного стекла, что позволяет легко сочленять их с ЭОПами.

При согласовании параметров передающей камеры ПТУ с условиями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать вопрос о выборе объектива или о соответствии установленного в камере объектива требованиям, вытекающим из решения поставленных задач. В первую очередь выбор объектива следует производить, исходя из заданного или заранее рассчитанного угла зрения камеры, связанного с фокусным расстоянием соотношением

где bф - ширина изображения на фотослое, в0 - угол зрения в горизонтальной плоскости.

Аналогично

где hф - высота изображения, б0 - угол зрения в вертикальной плоскости.

Предварительный выбор углов в0 и б0 следует производить с учетом того, что на краях поля зрения изображение получается менее резким и ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусного расстояния, так и от относительного отверстия D/f. Для определения угла резкого изображения вр можно воспользоваться эмпирическим соотношением

На основании выражений (10.1) и (10.2) окончательно устанавливается необходимый угол зрения объектива и его фокусное расстояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходящий объектив.

Определенную универсальность передающей камеры, позволяющую легко переходить от широких полей зрения, обеспечивающих общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознавание объекта, придает вариобъектив. Промышленностью выпускается широкий набор вариобъективов, пригодных для использования с видиконами, имеющих размер мишени 12,7x9,5. Эти объективы обладают значительным диапазоном фокусных расстояний. Следует однако иметь ввиду, что применение вариооптики значительно увеличивает габариты и вес камеры, а при наличии устройства дистанционного управления объективом и усложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае может служить использование узкопольного объектива и поворотного устройства, на котором крепится камера, позволяющая последовательно осуществлять широкий обзор пространства.

Практически во всех передающих камерах ПТУ предусматриваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых яркостей. В связи с этим укажем, что динамический диапазон большинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не превышает 50 - 100 , а матриц ПЗС - 1000. Вместе с тем для универсального применения передающих камер может понадобиться расширение динамического диапазона до 104-105. С этой целью в камерах на видиконах применяют устройства авторегулирования напряжения на сигнальной пластине, а в камерах на ПЗС - авторегулирование времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объектива и регулировку пропускания специальных светофильтров, устанавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регулирующих устройств заключается в том, чтобы при изменения освещенности объекта внутри заданного диапазона значения видеосигнала не выходили за пределы действующего рабочего участка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наиболее светлой градации яркости должен оставаться примерно постоянным. Отметим, что применение оптических методов и регулировки времени накопления зарядов направлено на стабилизацию экспозиции, сообщаемой ФЭП, в то время как регулировка потенциала сигнальной пластины видикона приводит к изменению положения светосигнальной характеристики и ее крутизны (рис. 3.10), то есть, в конечном счете, световой чувствительности трубки.

Существует ряд способов автоматической регулировки напряжения на сигнальной пластине видикона при изменении его освещенности. Один из них иллюстрируется схемой с пиковым детектором на входе (рис. 10.2). Видеосигнал размахом 1,5- 2,0B поступает на пиковый детектор (диоды VD1 иVD2 и конденсатор С2), напряжение с которого поступает на базу усилителя постоянного тока, а с выхода последнего - на сигнальную пластину видикона. Увеличение освещенности трубки приводит к повышению уровня видеосигнала и напряжения на базе транзистора, что способствует уменьшению его сопротивления и, следовательно, уменьшению напряжения на выходе устройства (рис. 10.3). Резистор R служит для установления первоначального напряжения на сигнальной пластине Uсп. Недостатком схемы является опасность возникновения самовозбуждения в предварительном усилителе, который оказывается связанным со схемой автоподстройки. Чтобы ликвидировать этот недостаток, рекомендуется вводить управляющее напряжение вместо сигнальной пластины в катод видикона.

Для управления диафрагмой объектива может использоваться видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное напряжение с которого после усиления поступает на балансную дифференциальную схему (рис. 10.4). При изменении освещенности фотопреобразователя сигнал также изменяется, и на выходе балансной схемы образуется управляющее напряжение соответствующего знака.

В рассмотренных случаях стабилизация тока сигнала в пределах ± 20% осуществляется при изменении освещенности объекта до 500 раз.

В более широких пределах изменения освещенности (примерно до 104 раз) можно стабилизировать ток видикона с помощью различных электрооптических светофильтров, изменяющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с использованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, широкими пределами регулировки светопропускания, но требует подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает большим светопоглощением. Светофильтры на основе светохромных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до нескольких секунд) управляются низкими напряжениями, измеряемыми единицами вольт.

В импульсных системах стабилизацию выходного сигнала можно осуществить, изменяя длительность экспонирования фотопреобразователя, для чего перед ним устанавливается электрооптический затвор. В качестве последнего можно применить электронно-оптический преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В суперкремниконе в качестве электронного затвора используют секцию переноса изображения, в которую добавляют специальный электрод.

Регулировку времени накопления зарядов с целью стабилизации величины видеосигнала удобно осуществлять в матрицах ПЗС путем автоматического управления длительностью импульсов, поступающих в накопительную секцию. На рис. 10.5, а представлена схема управления, примененная в камере КТП-79 и позволяющая стабилизировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от 4 до 20 лк.

Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью, зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход операционного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью пикового детектора VD1, VD2, C5 видеосигнал преобразуется в постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоянного тока (операционный усилитель У2). Величина выходного напряжения регулируется резистором R4, изменяющим чувствительность схемы. С выхода УПТ напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе У3. На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на транзисторах VT1 и VT2 и конденсаторе С6 (транзистор VT2 служит для стабилизации тока заряда конденсатора с целью повышения линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами U1, как это показано на рис. 10.5,б. В момент времени t1 происходит сравнение двух напряжений U2 и U3 и на выходе компаратора формируется двухполярный сигнал управления U4, который затем ограничивается диодом VD4 и преобразуется в однополярный сигнал U5.

К числу автоматических устройств, применяемых в передающих камерах ПТУ, относятся устройства автоматической фокусировки объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения. Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно применять в случаях, когда глубина резко изображаемого пространства недостаточна, например, при использовании длиннофокусных объективов. Критерием расфокусировки обычно служит информация о резкости или детальности изображения, которым в видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составляющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошибки) указанную информацию необходимо иметь как минимум при двух положениях объектива. На рис. 10.6 представлена структурная схема системы автофокусировки, в которой в качестве характеристики управления используется детальность многоградационного изображения, определяемая как

где Uс - напряжение видеосигнала, Tк - время кадра.

Принцип действия системы основан на том, что в сфокусированном состоянии объектива детальность изображения должна быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается на формирователь Ф, в котором производятся операции дифференцирования, усиление и ограничение в соответствии с заданным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограничения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2. Делитель частоты уменьшает количество импульсов напряжения до величины, отвечающей емкости счетчиков. Счетчики служат для суммирования импульсов и запоминания величины Du. В счетчике С1 запоминается значения детальности, соответствующее одному положению объектива, в счетчике С2 - другому положению. Для получения второго значения необходимо переместить объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периодической посылкой специального испытательного сигнала. Оба значения детальности сравниваются между собой в устройстве сравнения УС и в зависимости от знака полученного результата объектив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с помощью исполнительного устройства ИУ.

Недостатком рассмотренного устройства является ухудшение условий наблюдения при испытательных перемещениях объектива. Поэтому рекомендуется предусматривать в телевизионном датчике по возможности отдельный канал автофокусировки.

В случае если наблюдателя интересует один или несколько конкретных объектов, расстояние до которых может изменяться независимо от общей обстановки, можно использовать метод автофокусировки объектива, основанный на применении импульсного лазерного дальномера. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в направлении объекта пучок ИК лучей малой расходимости. Отраженный сигнал принимается фотоприемником и полученная информация после обработки используется для формирования управляющего сигнала.

Применение в телевизионном датчике импульсного светодальномера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить специальные регулировки, направленные на сохранение постоянного масштаба изображения, т.е. его размеров и осуществление беспропускного режима наблюжения в малокадровых и импульсных телевизионных системах при непрерывном изменении расстояния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения способствует решению задач обнаружения, опознавания и контроля параметров различных объектов, а также необходимо при использовании телевизионной системы для картирования местности, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решении других задач.

На рис. 10.7 показана структурная схема устройства управления вариообъективом, позволяющая поддерживать постоянство масштаба изображения путем изменения фокусного расстояния, т.е. угла зрения оптической системы. Входные импульсы, поступающие от светодальномера, временной интервал между которыми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирователь ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямоугольный импульс, который в схеме совпадения СС заполняется тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ. Получающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобразуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов счетчика должно выбираться в зависимости от необходимой точности преобразования расстояния до объекта в двоичный код. Цифровой сигнал декодируется затем в ЦАП и в аналоговой форме через усилитель У управляет приводным устройством ПР вариообъектива ВО.

Применение в устройстве управления двойного преобразования типа «аналог-код» и затем «код-аналог» позволяет достаточно простыми средствами и с заданной точностью осуществлять регулировку фокусного расстояния вариообъектива а широком интервале изменения расстояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.

ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Применение телевизионной аппаратуры для наблюдения за объектами, находящимися вне помещений, требует учета влияния атмосферы на дальность наблюдения. При определении дальности наблюдения за удаленными объектами следует учитывать, что, во-первых, происходит ослабление лучистой энергии воздушной средой и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе системы. Последнее обстоятельство обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и, как правило, является определяющим дальность наблюдения h.

Контраст на входе системы наблюдения равен

или, поскольку L0=Eс/р, Lн=Ew/ р,

где K0 -контраст объекта с фоном, L0- яркость объекта или фона (большее значение), Lн - яркость насыщенного слоя атмосферы (яркость неба у горизонта), с - коэффициент отражения объекта или фона, w- - коэффициент погоды, е - показатель ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км, Е - освещенность объекта и фона.

Коэффициентом погоды w называется отношение яркости Lн неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой поверхности, освещенной суммарным дневным светом. Коэффициент погоды зависит от метеорологических условий и может быть как меньше, так и больше единицы.

Из второго уравнения находится искомая дальность наблюдения:

На рис. 10.8 представлены расчетные графики, отвечающие выражению(10.3).

2. СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Подводное телевидение широко применяется для проведения различных морских исследований. К их числу относится поиск затонувших судов и всевозможных предметов, съемка шельфа морского дна в прибрежных районах, изучение подводной флоры и фауны, обследование строящихся и эксплуатируемых подводных сооружений, в том числе плотин гидроэлектростанций, колес гидротурбин и т.д. Решение этих задач производится с помощью специальных телевизионных систем, располагающихся на подводных и надводных судах, в батисферах и батискафах. Следует отметить, что первые опыты по применению телевидения для подводных наблюдений были проведены в СССР проф. П.В. Шмаковым в 1935 году.

ГИДРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Существующие принципы построения подводных телевизионных систем основаны на учете оптических свойств воды, однозначно определяющих дальность видения под водой. Прозрачность воды зависит от многих факторов, таких как глубина, время года, наличие планктона, течений и др.

Прозрачность воды на практике принято оценивать максимальной глубиной, на которой оказывается предельно различимым стандартный белый диск диаметром 30 см, опускаемый вертикально к поверхности моря. Несмотря на субъективность метода, он широко применяется в океанографических исследованиях. Ориентировочные данные о прозрачности воды, измеренной по белому диску, приведены ниже.

Максимальная глубина видимости белого диска, м

Белое море........................................…… 8

Балтийское море...........................……… 13

Баренцево море............................………. 18

Черное море…………………………….. 25

Индийский океан……………………….. 50

Тихий океан…………………………….. 59

Саргассово море………………………... 66

Объективной характеристикой прозрачности воды является коэффициент прозрачности ф, определяемый законом Бугера:

где Цф и Ц0 - прошедший через слой x и падающий световые потоки соответственно, е- показатель ослабления света в воде.

Формула (10.4) справедлива для однородной среды. Для неоднородной среды показатель ослабления является функцией расстояния, и тогда

где l - полная протяженность слоя воды.

Показатель ослабления е равен сумме показателей поглощения к и рассеяния у, т.е. . Прологарифмировав выражение (10.4), получим формулу для показателя ослабления, ln/м

где фп фр - коэффициенты прозрачности при наличии поглощения и рассеяния света в воде.

Существует приближенная эмпирическая формула, установленная для белого света и связывающая показатель ослабления с глубиной видимости белого диска zу, взятой в метрах:

При гидрооптических расчетах часто пользуются понятием показателя вертикального ослабления естественного света г, который всегда меньше показателя е: г= еP, где P- параметр, зависящий от формы индикатриссы рассеяния и так называемой вероятности выживания фотона Л. Индикатриссой рассеяния называют график распределения рассеиваемых в воде световых лучей по углам. На рис.10.9 показаны примеры индикатрисс рассеяния, нормированных к единице при б=90?, и характер изменения направленного светового потока Ц0 после прохождения его через слой воды. Как видно из рисунка, индикатриссы рассеяния воды имеют вытянутый в переднюю полусферу характер. Это обстоятельство благоприятно сказывается на освещенности более глубоких слоев воды, так как рассеянные лучи создают их дополнительную подсветку.

На рис. 10.10 показаны спектральные кривые показателя ослабления е, показателя рассеяния у и показателя поглощения к для Каспийского моря. Из графика е = f (л) следует, что наименьшему ослаблению света в воде подвергаются синие и зеленые лучи. Коротковолновая часть спектра претерпевает большое ослабление из-за сильного рассеяния, а длинноволновая часть - из-за сильного поглощения.

Ярко выраженные рассеивающие свойства воды приводят к значительному ослаблению контраста при переносе изображения из плоскости объекта в плоскость фотопреобразователя передающей телевизионной камеры. Контраст изображения объекта с фоном на входе фотопреобразователя Квх связан с действительным контрастом объекта К0 соотношением

где Eд - освещенность фотопреобразователя, создаваемая рассеивающей дымкой, E0 - освещенность фотопреобразователя от объекта или фона (большее значение).

Освещенность от дымки может быть найдена путем суммирования потоков, обратно отраженных от засвеченных слоев воды толщиной dz- каждый и направленных на фоточувствительную поверхность площадью Sф:

где расстояния z, h и h0 показаны на рис. 10.11.

Подынтегральную функцию можно привести к виду

где x(р) - значение индикатриссы рассеяния в направлении р («назад»), соб и D - коэффициент пропускания и диаметр входного зрачка объектива, x- отрезок, показанный на рис. 10.11.

Освещенность слоя dz, находящегося на расстоянии z от объектива:

где I0- сила света источника освещения в осевом направлении, lz = z/cosш - расстояние по оси от источника до слоя dz.

Расчетные формулы, полученные на основе выражений (10.5)-(10.7), приведены в главе 11.

Из формулы (10.7) следует, что освещенность Eд зависит не только от рассеивающих свойств воды, но и от относительного расположения источника освещения объекта и передающей камеры с объективом О, (рис. 10.11). Для уменьшения влияния дымки, необходимо уменьшать область пересечения поля зрения объектива и диаграммы направленности источника освещения И (на рис. 10.11 эта область заштрихована). Желательно, чтобы источник освещения располагался на расстоянии не ближе, чем 2-3 метра от камеры. На рис. 10.12 представлены графики, характеризующие зависимость величин Eд. и Kвх от расстояния между камерой и источником света b.

При наблюдении объекта на фоне толщи моря контраст K0 может быть рассчитан по формуле

где r0 - коэффициент яркости объекта, rм - :коэффициент яркости моря, rм = 0,02-0,05.

Под коэффициентом яркости моря понимают отношение яркости диффузного излучения, идущего из толщи моря непосредственно под его поверхностью под заданным углом, к яркости идеально белой матовой поверхности, освещенной естественным светом.

Существенно влияние водной среды на изменение масштаба изображения, передаваемого подводной телевизионной системой. Это явление объясняется разницей в показателях преломления воды n1 = 1,33 и воздуха n3 = 1. Если передающая камера помещена в батисферу, снабженную плоским иллюминатором, то согласно рис. 10.13 будут справедливы следующие соотношения

где n2 - показатель преломления стекла иллюминатора.

Отсюда следует, что угол ц1 будет меньше угла ц3, т.е. угол зрения передающей камеры, помещенной в воду, оказывается меньше угла зрения той же камеры, расположенной в воздухе. Это обстоятельство приводит к увеличению масштаба передаваемого изображения (рис.10.14). Изменение угла зрения предающей камеры будет зависеть от его абсолютного значения в воздухе. Если, например, 2ц3 = 62? (объектив типа Ю-12), то для воды 2 ц1 = 44,6?, т. е. угловое поле зрения камеры снижается в 1,38 раза.

В тех случаях, когда уменьшение поля зрения нежелательно, рекомендуется применять сферический иллюминатор. При этом оптический центр объектива должен быть точно совмещен с центром радиуса кривизны сферы, что представляет определенные технологические трудности. При несовпадении обоих центров появляются дополнительные искажения, которые особенно существенны для лучей, падающих под большими углами.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

В большинстве случаев подводная телевизионная система должна обеспечить максимально возможную дальность наблюдения (исключение составляют некоторые системы наблюдения за гидротехническими сооружениями и ряд других). Из рассмотрения гидрооптических характеристик следует, что для увеличения дальности передачи необходимо применять мощные источники освещения объекта, излучающие световую энергию в зелено-голубой части спектра, а также предусмотреть специальные меры для уменьшения влияния рассеивающей дымки на контраст передаваемого изображения. Выполнению этих условий в значительной степени способствует использование лазерной техники.

Существует два основных принципа построения лазерно-телевизионных систем: принцип сканирования лазерного луча в пространстве объектов и принцип пространственного стробирования. Принцип сканирования лазерного луча реализуется в системе "бегущий луч", прием отраженного сигнала в которой производится одноэлементным фотоприемником, как правило, фотоумножителем. Размер элемента разложения будет определяться углом начальной расходимости лазерного луча, а угол обзора - углом поля зрения фотоприемника. Существуют системы, в которых узкое поле зрения фотоприемника сканируется совместно со сканированием лазерного луча. Размер элемента при этом будет аналогичным предыдущему, а угол обзора равен углу сканирования.

Сущность пространственного стробирования заключается в выделении интересующего наблюдателя участка пространства путем освещения его световыми импульсами, длительность которых выбирается из условий

где Дh - глубина стробируемого участка пространства, c0 - скорость света, h - расстояние до стробируемого участка, tз - длительность затворного импульса.

Осуществление метода пространственного стробирования производится запиранием многоэлементного фотопреобразователя системы на все время, кроме времени непосредственного воздействия отраженного от заданного участка пространства светового импульса на фоточувствительный элемент. При этом уменьшается по времени воздействия влияние рассеивающей дымки на накопитель фотопреобразователя и повышается контраст входного изображения.

На рис. 10.15 приведена структурная схема импульсной лазерно-телевизионной системы, работающей по принципу пространственного стробирования, в соответствии с которой наблюдаемый объект освещается световым потоком, излучаемым лазером со стороны зеркала 1. Одновременно импульс света со стороны зеркала 2 создает с помощью фотоголовки электрический импульс, запускающий после формирования схему регулируемой задержки. Задержанный на время, равное 2h/ С0 ,импульсный сигнал, в свою очередь, запускает устройство формирования импульсов электрооптического затвора с помощью которого регулируется процесс накопления в передающей трубке ПТ или ПЗС. Частота излучения световых импульсов лазера синхронизируется с частотой кадровой развертки.

Для импульсных лазерно-телевизионных систем могут быть использованы два типа зелено-голубых лазеров - газовый и твердотельный. Газовые лазеры, выполненные на основе инертных газов, имеют большую частоту следования, достигающую нескольких тысяч импульсов в секунду, но относительно малую импульсную мощность (до нескольких десятков кВт) и низкий к.п.д. Наибольшее распространение получили лазеры на стекле, легированном неодимом. Эти лазеры генерируют световые импульсы длительностью порядка 10-20 нс с частотой следования до 50-60 импульсов в секунду. Длина волны излучаемой энергии л =1,06 мкм, мощность в импульсе до 20 МВт и более. Для получения длины волны л = 0,53 мкм эти импульсы подают на монокристаллы ниобата лития или дигидрофосфата калия, играющие роль удвоителя частоты. Мощность импульсов после удвоения частоты излучения (мощность второй гармоники) снижается до 1-2 МВт.

Существенную роль в рассматриваемых системах играет длительность затворного (стробирующего) импульса tз. Наибольшая эффективность работы системы получается, если этот импульс совпадает по длительности С излучаемым световым импульсом tэ,. который после возвращения экспонирует фотопреобразователь. В случае tз > tэ увеличивается влияние рассеивающей дымки, приводящей к снижению контраста входного изображения. Если tз < tэ, то часть энергии отраженного импульса будет расходоваться бесполезно, т. е. не участвовать в образовании зарядового рельефа на накопителе фотопреобразователя.

3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

К телевизионным системам летательных аппаратов (ЛA) относятся системы, располагающиеся на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли (ИСЗ) и космических аппаратах дальнего космоса. Функции, выполняемые подобными системами чрезвычайно разнообразны. Применение телевидения на атмосферных ЛА обычно преследует цели наблюдения за земной или морской поверхностью, поиск, обнаружение и измерение тех или иных параметров отдельных объектов, либо съемку участков местности. Распространение получила аппаратура космического телевидения, охватывающая следующие области применения:

космическую видеосвязь (космовидение),

научное исследование объектов космического пространства,

наблюдение за облачным покровом Земли и исследование ее природных ресурсов,

видеоконтроль функционирования систем космических кораблей и управление космическими кораблями.

Космическая видеосвязь предполагает обмен визуальной информацией между обитаемыми космическими кораблями c одной стороны и между космическими кораблями и Землей с другой стороны.

Системы для научных исследований и метеорологические системы служат для сбора и передачи телевизионной информации из ближних и дальних областей космоса на Землю. Носителями такой аппаратуры являются ИСЗ и аппараты дальнего космоса, на которых отсутствует человек. Начало научному исследованию космического пространства было положено в 1959 г. станцией "Луна-3", с помощью которой удалось получить изображения обратной стороны Луны. С 1965 г. начались телевизионные исследования Марса и Венеры. В 1986 г. были проведены телевизионные съемки кометы Галлея, осуществленные в рамках международного проекта "Вега".

Широкое распространение получили космические программы исследования природных, ресурсов Земли. Для этих целей используются спутники типа «Метеор-Природа», «Космос», станции «Салют» и «Мир», американские аппараты серии «Лэндсет». Задачи, решаемые в рамках этих программ, группируются по четырем направлениям: океанологии, гидрологии, геологии, лесному и сельскому хозяйству. Для выполнения различных конкретных задач наблюдения и фотометрических измерений широко используется спектрозональная телевизионная аппаратура, позволяющая получать информацию о малоконтрастных объектах в различных областях спектрального диапазона излучений.

Существенное значение приобрели системы видеотелеметрии, с помощью которых осуществляется контроль за работой различных систем космического корабля и управление его полетом. В последнем случае с помощью телевидения автоматически определяются координаты корабля, осуществляется его посадка и маневрирование.

Особое место занимает ретрансляция широковещательных и служебных программ телевидения с помощью спутников - ретрансляторов. При этом ретрансляция может осуществляться по цепи Земля - Космос - Земля, Космос - Космос - Земля и другими путями.

Широта использования телевизионных систем ЛА, особенно в научных исследованиях, предопределяет различие в принципах построения аппаратуры и ее характеристиках. Так, системы, предназначенные для исследования Луны должны передавать информацию при освещенностях ее поверхности от 135 тыс. люкс до 0,75 люкс и контрастах отдельных объектов от 0,01 до? 1. К системам для обзора земной поверхности предъявляются более низкие требования к широте динамического диапазона передаваемых яркостей, но зато особое значение приобретает необходимость наблюдения в реальном времени.

По отдельным техническим признакам телевизионные системы ЛА можно разделить на следующие группы:

с электронными и оптико-механическими развертками;

с накопителями электронно-пленочного и фотопленочного типа;

без накопления энергии, со строчным и кадровым накоплением;

пассивные и активные;

с одновременными и раздельными во времени процессами накопления и считывания информации;

широкополосные и узкополосные системы;

замкнутые и открытые (с радиолинией связи).

К электронным телевизионным системам относятся все системы с передающими трубками и твердотельными фотопреобразователями, работающие как с накоплением, так и без накопления энергии. Системы с оптико-механическими развертками строятся либо на принципе сканирования лазерного луча в пространстве объектов (системы «бегущего луча»), либо на принципе механической развертки изображения с помощью зеркальных барабанов, вращающихся призм и т.д. Оптико-механические развертки относятся к разряду «медленных» разверток и используются главным образом в узкополосных системах.

В системах с накоплением энергии применяются как электронно-пленочные накопители, используемые в передающих трубках и твердотельных фотопреобразователях, так и фотопленочные накопители. Последние употребляются в фототелевизионных системах, изображение объекта в которых вначале регистрируется на фотопленке, а затем, после ее обработки, считывается механическим или электронным путем и преобразуется в видеосигнал.

По времени накопления энергии системы подразделяются на системы без накопления энергии (диссекторные, с лазерным или оптико-механическим сканированием), со строчным и кадровым накоплением. Строчное накопление энергии используется в системах с однострочной разверткой. Вертикальная развертка в этом случае осуществляется за счет поступательного движения ЛА.

Телевизионные системы ЛА, как и любые другие оптико-электронные системы, подразделяются на активные и пассивные, т.е. использующие искусственную подсветку объекта. Очевидно, что подсветку можно использовать лишь на сравнительно малых расстояниях, характерных только для атмосферных ЛА.

Обычные телевизионные системы, применяемые в вещательном и прикладном телевидении, работают в режиме, когда процесс экспонирования изображения на фоточувствительную поверхность и процесс коммутации мишени, сопровождающийся образованием видеосигнала, происходит одновременно. Однако в малокадровых, импульсных и фототелевизионных системах эти процессы оказываются разделенными во времени: сначала производится экспонирование накопительного элемента фотопреобразователя (в импульсных системах - кратковременное, в остальных случаях - любое), затем считывание информации по памяти и, наконец, при необходимости - стирание остаточного потенциального рельефа для подготовки накопителя к новому циклу работы.

Все телевизионные системы ЛА условно разделяются на узкополосные и широкополосные, причем границей между ними установлена максимальная частота видеосигнала 100 кГц. Широкополосные системы используются главным образом для наблюдения за земной поверхностью и ее облачным покровом с самолетов и ИСЗ, имеющих орбиты до 10 км. Узкополосные телевизионные системы служат для передачи информации из дальнего космоса, причем сокращение полосы частот при ограниченной мощности передатчика позволяет увеличить дальность действия системы в тысячи раз.

Большинство телевизионных систем ЛА являются системами открытого типа, т.е. служат для передачи информации по радиоканалу. Однако на борту самолетов и космических аппаратов могут использоваться и замкнутые системы, выполняющие вспомогательные функции, которые облегчают управление носителем и сбор научной информации.

МАЛОКАДРОВЫЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Малокадровые телевизионные системы получили широкое распространение в качестве средств наблюдения за земной поверхностью с космических и атмосферных ЛА. Малокадровые системы используются также в видеотелефонах и системах технического зрения. Для уяснения преимуществ малокадрового метода передачи изображений напомним, что обычная многокадровая система обладает огромной пропускной способностью: при 5 105 элементах изображения и 10 градациях яркости, которые может принять каждый элемент, количество информации, передаваемое за 0,04 с (время одного кадра), составляет N = 5 105log210 дв. ед. Такое количество информации, которое не может быть воспринято зрительным анализатором за столь малый промежуток времени, поскольку пропускная способность зрения в сотни тысяч раз меньше, передается только для того, чтобы создать иллюзию слитности движения наблюдаемых объектов и устранить мелькание воспроизводимых изображений. Если отказаться от этих требований, можно за счет увеличения времени передачи кадра намного сократить пропускную способность системы, уменьшив полосу пропускаемых видео- и радиотрактом частот и одновременно повысив помехоустойчивость системы. При этом устраняется сильная в многокадровых системах межкадровая корреляционная связь.

Таким образом, сущность малокадрового метода заключается в накоплении и передаче только тех изображений, которые существенно различаются по смысловому содержанию. Пример передачи изображений в малокадровой системы иллюстрирован рис. 10.16. Поступательно движущийся носитель (самолет, вертолет)просматривает земную поверхность последовательно расположенными участками, величина которых в направлении движения l=VT, где V - скорость движения носителя, Т - период экспонирования фотопреобразователя, равный времени передачи одного кадра. Время экспонирования фотопреобразователя tэ выбирается таким, чтобы скоростное смазывание изображения, ухудшающее его качество, не превышало определенных, наперед заданных, пределов. Таким образом, при заданной площади захвата наблюдаемой поверхности частота смены кадров должна однозначно определяться скоростью движения носителя. Воспроизведение передаваемых изображений осуществляется на кинескопе с длительным послесвечением или с помощью специального устройства памяти.

Для обеспечения беспропускного режима работы рассмотренной системы удобно использовать вариообъектив. В случае изменения высоты полета h (рис. 10.16) необходимо для поддержания постоянства величины l изменять фокусное расстояние вариообъектива f? в соответствии с формулой f?=dh/l, где d - размер фоточувствительной поверхности фотопреобразователя. Эта регулировка осуществляется автоматически с помощью управляющего напряжения, связанного с изменяющимся расстоянием h.

Если кроме высоты может изменяться также и скорость полета носителя, то для поддержания постоянства размера наблюдаемого поверхности l необходимо прибегнуть к изменению частоты экспонирования фотопреобразователя Fэ, поскольку l = V/ Fэ.

Автоподстройка величин f? и Fэ, осуществляется с помощью специального блока управления, алгоритм функционирования которого зависит от возможности изменять частоту экспонирования плавно или дискретно. Если пределы изменения частоты экспонирования ограничены, что характерно для многих активных систем, а скорость V становится чрезмерной, то для обеспечения беспропускного режима наблюдения приходится увеличивать размер участка l, уменьшая при этом масштаб изображения. Очевидно, что эта операция осуществляется путем уменьшения фокусного расстояния f?.

Из сказанного следует, что малокадровая система относится к разряду узкополосных систем с покадровым накоплением и разделенными процессами записи и считывания:информации, т.е. накоплением и коммутацией потенциального рельефа в передающей трубке. Для реализации этого режима используются как специальные видиконы, способные удерживать зарядный рельеф на все время его коммутации, тик и матричные ПЗС.

Малокадровый метод передачи изображений был осуществлен в целях получения снимков Луны и Марса, а также облачного покрова Земли. На рис. 10.17 представлена структурная схема телевизионной аппаратуры, установленной на метеорологических спутниках системы «Meтеор». В системе, предназначенной для регистрации облачного покрова на освещенной стороне Земли, используются две передающие камеры на видиконах с памятью, обеспечивающие работу системы в малокадровом режиме. Полный цикл работы передающей трубки 60 с: время экспонирования 0,025-0,04 с, время считывания информации 10 с и время подготовки (стирания остаточного потенциального рельефа) 50 с. Полоса частот видеотракта 15 кГц, рабочий диапазон экспозиции 0,6- 8 лк·с.

Обе камеры снабжены объективами с фокусным расстоянием 16 мм и относительным отверстием 1:3. Оптические оси камер наклонены друг к другу под углом 19°, что обеспечивает перекрытие системой в целом угла зрения 76є. Для расширения динамического диапазона передаваемых яркостей осуществляется регулировка диафрагмы каждого объектива. Эта операция производится по команде с Земли или от специального блока программного управления, связанного с датчиком положения Солнца. Блок управления предназначен также для сбора телеметрической информации о состоянии всех основных блоков телевизионной аппаратуры. Эта информация затем записывается на магнитофон и передается на Землю одновременно с видеосигналом.

Видеосигналы с выхода передающих камер поступают через коммутатор в линейный усилитель, где производится замешивание служебных сигналов, в том числе кодовых посылок о номере каждой пары изображений, гасящих и синхронизирующих импульсов. Поскольку передача на Землю информации производится только тогда, когда ИСЗ находится в зоне прямой радиовидимости, в состав аппаратуры включено устройство видеозаписи (видеомагнитофон), управляемое программным блоком. Для уменьшения времени сеанса связи считывание информации с магнитной ленты производится в четыре раза быстрее, чем запись. Считанный сигнал поступает для частотной коррекции в устройство формирования и затем в передатчик мощностью 15 Вт. Принятые на наземном пункте изображения фотографируются с экрана видеоконтрольного устройства. Разрешающая способность телевизионной аппаратуры позволяет различать участки на Земле размером 1,2 км.

ФОТОТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ

При передаче сигналов одиночных изображений с ЛА получили распространение фототелевизионные системы, состоящие из фотосъемочной камеры, устройства автоматической обработки фотопленки и устройства сканирования изображения. Остальные устройства, связанные с формированием сигнала и его передачей на землю, аналогичны входящим в малокадровую систему. Достоинством фототелевизионной системы является высокая четкость получаемых изображений благодаря высокому качеству фотопленки.

После экспонирования и химической обработки фотопленки отдельные изображения с помощью протяжного механизма 3 (рис. 10.18) перемещаются в кадровое окно и одновременно сканируются способом «бегущего луча». При непрерывной протяжке пленки сканирование осуществляется одной строкой (однострочная развертка), формируемой на экране малогабаритного проекционного кинескопа 1. Световое пятно через объектив 2 просвечивает фотопленку. Модулированный световой поток собирается конденсором 4 и попадает на фотокатод ФЭУ.

Разрешающая способность фототелевизионной системы будет определяться качеством фотопленки и величиной анализирующего светового пятна. Ширина спектра видеосигнала зависит от скорости протяжки пленки и длительности строки, причем оба параметра должны быть согласованы между собой таким образом, чтобы не было наложений строк и пропусков между ними.

При съемке местности с ЛА изображение на фотопленке оказывается смазанным, что приводит к ухудшению качества передаваемого изображения. Уменьшение этого явления достигается сокращением времени экспонирования фотопленки, что одновременно повышает требование к освещенности объекта наблюдения. При расчетах учесть явление скоростного смазывания на качество передаваемого изображения и выбрать оптимальное время экспонирования можно на основе аналогии с электронно-пленочным накопителем, как это показано в разделе 10.4.

СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Спектрозональные системы служат для одновременного получения информации о распределении лучистого потока в двух или более зонах (областях) спектрального диапазона волн. В этом плане обычная телевизионная система должна быть отнесена к разряду "однозональных" систем. Спектрозональные телевизионные системы (СЗТС) широко используются в космическом телевидении для решения как наблюдательных (обнаружение и опознавание различных объектов на земле и акватории мирового океана), так и измерительных задач. Применение в СЗТС оптической спектральной фильтрации позволяет увеличивать контраст входных изображений селектируемых объектов.

Прямой энергетический контраст изображения каждого селектируемого объекта относительно окружающего фона на входе фотопреобразователя для одной зоны равен

где Wф и Wо - энергии излучения на входе фотопреобразователя от фона и объекта соответственно в расчете на один элемент изображения.

Величины энергий в общем случае выражаются соотношениями

где Цл max- максимальная спектральная плотность потока излучения, Вт/мкм; Тк - длительность кадра; сфл и с0л - спектральные коэффициенты отражения фона и объекта соответственно; фл - спектральный коэффициент пропускания атмосферы; фл0 - спектральный коэффициент пропускания объектива; Sлз- спектральная чувствительность зоны пропускания оптического фильтра.

Все спектральные характеристики, расположенные под интегралами, являются относительными, т.е. в максимуме приведенными к единице.

Таким образом величины входных энергий от селектируемых участков изображения поверхности наблюдения, каждый из которых характеризуется своим контрастом, будут зависеть от спектральной чувствительности зон пропускания. Выбор рабочих зон С3ТС наблюдения является важной и сложной задачей, направленной на максимизацию входных контрастов селектируемых объектов. При этом должны учитываться форма и ширина характеристик спектральной чувствительности каждой зоны и ее местоположение в спектральном диапазоне волн. Количество зон соответствует числу селектируемых участков наблюдаемого изображения и обычно равняется числу фотопреобразователей в телевизионной системе. В этом случае обработка всех сигналов производится одновременно, и результат получается в реальном времени. При малом быстродействии системы можно ограничиться одним фотопреобразователем со сменным набором фильтров. При этом одновременная обработка сигналов требует введения в систему специального устройства памяти.

СЗТС искусственного спутника Земли «Лэндсет-1» включает в себя три камеры, оптические оси которых расположены таким образом, чтобы один и тот же участок земной поверхности одновременно проецировался на мишени всех видиконов. Камеры работают в следующих спектральных зонах: 475 - 575 нм, 580 - 680 нм, 690 - 830 нм. При ширине наблюдаемого участка в 180 км разрешение на земной поверхности составляет 50 - 100м.

4. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА БЫСТРОДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ И БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ

Области применения телевизионной аппаратуры чрезвычайно разнообразны. Однако несмотря на многообразие применения и способов построения она в большинстве случаев предназначена для передачи изображений объектов, параметры которых, в том числе их положение в пространстве, изменяются во времени относительно медленно. Во всяком случае, скорость их изменения обычно бывает значительно ниже, чем скорость съема информации, определяемой как в кино, так и в телевидении частотой смены кадров.

Расширение возможностей и сферы применения телевидения в промышленности, на транспорте, в научных исследованиях часто приводит к необходимости получать видеоинформацию от различного рода быстродвижущихся объектов и о быстропротекающих процессах. Примером может служить наблюдение с помощью телевизионных стробоскопов за судовыми и самолетными винтами, колесами турбин, различными вращающимися или вибрирующими частями машин и механизмов. Актуальной является задача автоматической регистрации номеров транспортных средств (автомашин, железнодорожных вагонов и пр.) в процессе их движения. В научных исследованиях применяется телевизионная регистрация следов ядерных частиц и процессов, происходящих в плазме. Созданы установки, позволяющие не только наблюдать быстропротекающие процессы в искровых камерах, но и измерять координаты отдельных частиц.

Подобные документы

Телевизионные устройства и системы. Принципы черезстрочной развертки. Требования к структурным схемам черно-белых телевизоров. Функциональные взаимодействия каналов и блоков транзисторного телевизора. Построение совместимых систем цветного телевидения.

реферат , добавлен 24.08.2015


Проектирование домовой распределительной сети сигналов телевидения для жилого дома. Структурная схема цифровой системы передачи сигналов изображения и звукового сопровождения. Основные параметры кабеля SNR RG11-M-Cu. Технические характеристики усилителя.

контрольная работа , добавлен 18.09.2012


Основные элементы СКТВ: приемные телевизионные антенны и усилители, головные станции, конверторы. Структура системы кабельного телевидения, требования, предъявляемые к схемам. Основные методы информационной обратной связи. Распределение частот сигналов.

реферат , добавлен 18.03.2011


История изобретения телевидения - одного из величайших технических изобретений XX века. Принципы передачи изображения на расстояние радиоэлектронными средствами. Музейные экземпляры телевизоров. Обобщённая структурная схема телевизионной системы.

презентация , добавлен 11.12.2014


Назначение телевизионной системы: формирование изображения передаваемой сцены, предназначенного для восприятия человеком. Подача сигнала с выхода устройства обработки и усиления на анализатор. Формирование оптического изображения, элементы светоделения.

реферат , добавлен 12.07.2010


Этапы создания круглосуточной телевизионной системы: оценка сквозной передаточной функции системы, дальности действия сигнала, разработка конструкции основных узлов изделия, изготовление вакуумно-плотной пластины и электронно-оптического преобразователя.

дипломная работа , добавлен 24.11.2010


Основные две группы рентгеновских телевизионных систем (РТС): для рентгеноскопии и для рентгенографии. Структурная схема аналоговой РТС, устройство электронно-оптического преобразователя. Формирование телевизионного растра, структурная схема видеоканала.

контрольная работа , добавлен 13.01.2011


Проектирование передатчика телевизионной радиостанции с раздельным усилением сигналов звука (частотная модуляция) и видеосигнала системы SECAM D/K. Определение количества усилительных каскадов, выбор варианта резервирования для бесперебойной работы.

курсовая работа , добавлен 25.06.2015


Параметры регулируемой системы, передаточная и амплитудно-частотная функция, график переходного процесса. Построение логарифмической характеристики системы автоматического управления. Синтез параллельного корректирующего звена и программного устройства.

курсовая работа , добавлен 20.10.2013


Характеристика электрической принципиальной схемы передатчика телевизионной системы. Принцип действия демодулятора. Показатели и характеристики печатной платы. Выходная мощность трактов изображения и звука. Автоматическая регулировка уровня мощности.

Современный мир не мыслим без телевидения, оно есть в каждом доме и даже в самых удаленных уголках. Конечно книги, кино и театр не перестали существовать, как предрекалось в одном известном фильме, но телевидение их бесспорно потеснило и прочно обосновалось в нашей повседневной жизни, стало почти незаменимым. Мы живем в новом мире высоких технологий и скоростей и телевидение является в нем очень важной коммуникационной составляющей, связующим звеном с остальным миром и предоставляющим о нем информацию. Индустрия телевидения динамично развивается, чтобы удовлетворить спрос и быть более востребованным, создаются новые программы, фильмы, совершенствуются и разрабатываются новые технологии передачи и обработки сигнала. Новые технологии внесли в него дополнительные функции, например формат 3D, возможность выбора языка, субтитров, доступа в интернет, телетекстом и др. Современный телевизор предназначен не только для просмотра телепередач, это куда более сложное устройство, позволяющее выходить в глобальную сеть, коммутироваться с мобильными телефонами, компьютерами и др. устройствами.

Каким будет Ваше телевидение зависит только от Вас, только Вы можете решить что, на каком устройстве, в каком качестве, где и когда хотите смотреть. Задача телевизионной сети – максимально обеспечить исполнение поставленных задач, поэтому любая работа с телевизионными сетями (проектирование и монтаж) должна обязательно начинаться с постановки задачи.

Любая слаботочная система будет соответствовать потребностям Заказчика и обеспечивать ему комфорт, только если учитывает все его требования и даже “заглядывает” немного вперед. Специалисты организации, профессионально занимающаяся монтажом слаботочных систем, всегда находится в курсе перспектив развития отрасли и телевидения в частности, следят за новинками оборудования, новыми форматами и технологиями. Поэтому работа с такими организациями позволяет Заказчику получать квалифицированные консультации и быть уверенным, что его телевизионная система будет учитывать все действующие форматы и новшества и создана уже с учетом планируемых перспектив развития телевизионных технологий.

Для правильной постановки задачи, Заказчик руководствуясь собственными желаниями и знаниями, а так же консультациями специалистов должен определиться что, в каком качестве и на каких устройствах он хочет смотреть. Состав и структура телевизионной сети будут напрямую зависеть от вида сигнала (аналоговый или цифровой) и от способа его передачи (эфирная, спутниковая, кабельная). Материал, приведенный в данной статье позволит составить общую картину действующую в области современного телевидения, ознакомиться с существующими видами и форматами телевизионных сигналов, понять их отличие друг от друга, недостатки и преимущества, а так же способы их передачи. Надеемся, что это поможет Вам лучше сориентироваться и определиться с выбором системы, способа монтажа и оборудованием. Представленная информация носит ознакомительный характер, более подробные данные можно получить в специализированной литературе, учебниках и справочниках.

Телевизионная сеть - эт о коммуникационная система для распространения телевизионных программ, включает в себя систему физических каналов связи и коммутационное оборудование, реализующее тот или иной низкоуровневый протокол передачи данных.

В основе телевидения лежит передача видео и аудио сигнала по беспроводной или кабельной среде от источника (транслятора) к конечному пользователю (телевизор, монитор и др.). Телевизионный сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Аналоговое телевидение - телевизионная система, использующая для получения, вывода и передачи изображения и звука аналоговый электрический сигнал, является доминирующей на эфирных наземных каналах во многих странах. Большинство отечественных телеканалов вещают в аналоговом стандарте, дублируя вещание в цифровых стандартах по кабельным и спутниковым каналам

Не вдаваясь в излишние технические подробности поясним, что в аналоговом телевидении в каждый момент времени передаётся информация о яркости определённой точки экрана, в следующей момент – соседней точки и т. д. (осцилограмма). Для этого электронный луч сканирует изображение, переводит его в электронный импульс, и обрабатывает по определенному стандарту, то есть по четко установленному размеру, с регламентированной частотой и последовательностью. В настоящее время в мире существует три основных аналоговых стандарта , отличающихся по числу смены кадров в секунду, составляющих кадров и методу цветового кодирования: PAL, NTSC и SECAM .

Существует два способа формирования изображения – прогрессивное и чересстрочное. При прогрессивном способе формирования изображении в каждом кадре есть все строки изображения, то есть, например, при частоте 30 кадров в секунду будут показаны 30 полных кадров. При чересстрочном способе передачи изображения в четных кадрах будут отображаться четные строки исходной картинки (полного кадра), в нечетных кадрах – нечетные строки. Чересстрочное изображение выглядит несколько смазано по сравнению с прогрессивным, но позволяет значительно уменьшить объем передаваемой информации. Многим не нравится мерцание, создаваемое чересстрочным изображением.

Прогрессивное изображение обозначается буквой p (progressive), например 720p. Чересстрочное изображение – обозначается буквой I (interlaced), например 1080i.

В России телевизионный сигнал передаётся в стандарте SECAM, изображение отображается с разрешением 720(768) на 576 пикселей с частотой 25 кадров в секунду. Сигнал цветности передается в частотной модуляции (ЧМ/FM), по одной цветовой составляющей в одной телевизионной строке, поочередно.

Для передачи сигнала аналогового телевидения применяется эфирная наземная передача и кабельное вещание.

Цифровое телевидение - основывается на технологии передачи видео и аудио сигнала по цифровым каналам при помощи кодирования и сжатия данных, для этого применяется алгоритм стандарта MPEG. Существует три способа передачи телевизионного сигнала:

Стандарты цифрового телевидения устанавливаются международной организацией ISO (International Organization for Standartization), включающей более 100 стран мира. В настоящее время основными стандартами считаются DVB - европейский стандарт, ATSC - американский, ISDB - японский.

На территории РФ наибольшее распространение получила группа европейских форматов DVB, для сжатия информации в них применяются стандарты MPEG, MPEG-2 и MPEG-4, а в зависимости от сферы применения они подразделяются на:

• Цифровое спутниковое телевидение:
  • DVB-S - передача информации через спутник, применяется квадратурная фазовая модуляция QPSK, 8-PSK,квадратурная модуляция (16-QAM);
  • DVB-S2 - второе поколение DVB-S, позволяет использовать дополнительные типы модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK или 32APSK) с увеличением пропускной способности канала связи в несколько раз;
• Цифровое кабельное телевидение (витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабель):
  • DVB-C (кабельное вещание) – передача видео и аудио, а также дополнительной информации через кабельные сети, модуляции 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM или 256-QAM;
  • DVB-C2 - цифровое кабельное телевидение «второго поколения», модуляции QPSK, 16-QAM,64-QAM, 256-QAM, 1024-QAM, 4096-QAM;
• Цифровое эфирное телевидение (наземное вещание):
  • DVB-T - передача видео и аудио, а также дополнительной информации через сети наземного эфирного телевидения (стационарный приём), модуляции 16-QAM или 64-QAM (или QPSK) совместно сCOFDM;
  • DVB-T2 - “второе поколение” DVB-T, использует новые режимы модуляции и канального кодирования (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM совместно сOFDM), что увеличивает пропускную способность канала связи по сравнению с DVB-T в два раза, стандарт сжатия видео MPEG-4, скорость потока до 50 Мбит/с. Данный стандарт несовместим с DVB-T.
• Мобильное телевидение:
  • DVB-H - аналог DVB-T для подвижного приёма, использует модуляцию OFDM;
  • DVB-SH - спутниковое/наземное вещание, с возможностью мобильного приёма. Возможность совместного использования спутниковых и наземных систем связи (так называемые гибридные сети), используется модуляция QPSK, 8PSK, 16APSK;

Надежность и качество цифровой передачи сигнала значительно выше, за счет возможности проверки и восстановления информации, но передавать такой сигнал на большие расстояния значительно сложнее чем аналоговый.

Преимущества цифрового телевидения над аналоговым:

• Лучше качество изображения и звука;
• Отсутствие помех (рябь, полосы, нарушение звука) то есть изображение либо есть либо его нет, это обусловлено возможностью регенерации сигнала, вплоть до порогового значения сигнал/шум;
• Уменьшение мощности передатчиков, за счет других принципов распространения сигнала;
• Увеличение количества ТВ-программ, передаваемых в том же частотном диапазоне, за счет кодирования и сжатия информации;
• Возможность разработки и создания новых ТВ-систем с новыми стандартами изображения – HDTV (телевидение высокой четкости);
• Создание интерактивных ТВ-систем, при пользовании которыми зритель получает возможность воздействовать на передаваемую программу;
• Новые возможности записи и архивирования ТВ передач;
• Возможность выбора языка и субтитров, за счет передачи вместе с виде и аудиосигналом дополнительной информации;
• Значительное расширение функциональных возможностей студийной аппаратуры и др.

Недостатки цифрового телевидения перед аналоговым, как ни парадоксально кроются в преимуществах - данные либо принимаются качественно на 100% или восстанавливаются, либо принимаются плохо с невозможностью восстановления:

• В эфирном цифровом телевещании резко ограниченная территория покрытия сигнала, внутри которой приём возможен. Но эта территория при равной мощности передатчика больше, чем у аналоговой системы;
• Дальность передачи цифрового сигнала значительно меньше чем аналогового;
• Цифровой сигнал, забитый помехами сверх порогового значения восстановить не возможно, в то время как человек (не машина) может воспринять даже очень слабый и загруженный помехами аналоговый сигнал. Например, при плохой погоде (сильный дождь, ветер или снегопад) изображение со спутниковой тарелки пропадет полностью или рассыпется на квадраты, а в случае аналогового телевидения будут помехи (рябь, нарушения изображени или звука), но воспринимать информацию будет можно.

Телевидение высокой четкости (HDTV) High-Definition Television или телевидение в высоком разрешении - это разновидность стандартов телевизионного вещания с повышенной разрешающей способностью по вертикали и горизонтале, позволяющими передавать изображение и звук повышенного качества, четкость изображения HDTV (количество точек, из которых состоит изображение) почти в 5 раз больше по сравнению с обычным телевидением. Телевидение высокой четкости (HDTV) относится к цифровому телевидению, в его основе лежит формат DVB.

По ГОСТ 21879-88 телевидением высокой чёткости считается система телевидения с разрешающей способностью по вертикали и горизонтали, увеличенной примерно вдвое по сравнению со стандартной. Действующий ГОСТ Р 53533-2009 определяет систему телевидения высокой чёткости, как телевизионную систему, параметры которой выбраны исходя из расстояния наблюдения, равного трём высотам наблюдаемого изображения. Таким образом, повышенная чёткость ТВЧ позволяет рассматривать изображение с более близкого расстояния, чем телевидение стандартной чёткости, или использовать экраны бо́льших размеров при наблюдении с тех же расстояний. При этом строчная структура изображения и его отдельные элементы остаются незаметными.

Во всех форматах эфирного телевидения соотношения сторон картинки – 4:3. А в телевидении высокой четкости соотношение сторон 16:9. Поэтому обычная картинка на HDTV телевизоре будет либо растягиваться на весь экран с искажением пропорций, либо обрабатываться специальным алгоритмом, чтобы минимизировать это искажение, либо на телевизоре будут отображаться пустые черные полосы по краям.

Абоненты цифрового телевидения могут самостоятельно выбирать способ отображения стандартной картинки 4:3 на HD телевизоре, т.е. могут либо обрезать изображение сверху и снизу, либо показывать все изображение, но с пустыми полосами слева и справа.

Передача сигнала HDTV на дальние расстояния (от вещательной станции до приёмника конечного пользователя) применяются технологии цифрового телевещания, при этом информация передается преимущественно в сжатом кодированном цифровом виде (форматы сжатия MPEG-2 и MPEG-4). Сжатие снижает требования к ширине канала передачи сохраняя приемлемое качество изображения и звука. Передача сигнала на короткие расстояния (от приёмника пользователя к дисплею) осуществляется в несжатом виде через цифровые интерфейсы (кабели) HDMI и DVI-D. Использование цифровых интерфейсов позволяет полностью избавиться от цифро-аналоговых преобразований на всём пути прохождения сигнала, однако допускается подключение и по компонентным аналоговым интерфейсам (RGBHV и YPbPr).

В настоящее время наиболее широкое распространение получили два международных стандарта разложения высокой чёткости , один из которых содержит 1125, а другой - 750 периодов строчной развёртки, приходящихся на один период кадровой. Первый поддерживает размер изображения 1920×1080 пикселей с различной кадровой частотой, а второй - 1280×720. Обе системы рассчитаны на соотношение сторон кадра 16:9 при квадратном пикселе.

• 1080i: чересстрочный стандарт с кадровой частотой 25, 29,97 или 30 кадров в секунду;
• 1080p: стандарт с прогрессивной развёрткой допускающий использование кадровых частот 24, 25, 30, 50 или 60 кадров в секунду и их дробные значения, кратные 1,001. В июле 2008 года американский комитет ATSC, а вслед за ним, в сентябре 2009 года, и европейский ETSI включили в стандарты телевещания форматы 1080p50 и 1080p60 (с частотой смены кадров 50 и 60 в секунду, соответственно). Эти форматы могут использоваться приёмным и передающим оборудованием, поддерживающим кодирование H.264 на уровне 4.1 и выше.
• 720p: стандарт с прогрессивной (построчной) развёрткой, допускающий использование кадровых частот 50 или 60 кадров в секунду. Этот формат ТВЧ рекомендован как стандартный для стран-членов ЕВС, в России он классифицируется как телевидение повышенной чёткости по ГОСТ Р 53536-2009.

Единого мнения о наилучшем стандарте не существует. Наивысшее качество изображения обеспечивают стандарты 1080p, но они требуют слишком высокой скорости передачи данных и в большей степени пригодны для хранения, а не передачи изображения. Европейский вещательный союз предпочитает обозначать вещательный формат, указывая разрешение и частоту кадров (но не полукадров).

Применительно к России в соответсвии с ГОСТ Р 53533-2009, определяющим параметры цифровых систем телевидения высокой чёткости, возможно воспроизведение широкоэкранного изображения с форматом кадра 16:9 и разрешением 1920×1080. Также предусмотрено отображение изображения с форматом кадра 16:10 и разрешением 1920×1152, с дополнительным полем (1920×72) для текстовой информации, или форматом кадра 4:3 и разрешением 1536×1152.

В июле 2012 года спутниковый оператор «Триколор ТВ» запустил HD-мультиплекс из 25 телеканалов высокой четкости. Также в июле 2012 года услуги цифрового телевидения высокой четкости в 19 городах России начал предоставлять кабельный оператор «Дом ру», на 2013 это уже 50 HD-телеканалов высокой четкости в 2 пакетах: базовом и тематическом. У «Билайн ТВ» - 40 HD-каналов, у «Ростелекома» - 25, МТС - 24, «Акадо» - 22, «НТВ Плюс» - 20. Предполагается, что к 2014 году общее количество вещающих в России телеканалов высокой четкости может достигнуть 80.

Монтаж телевизионных сетей

Как уже упоминалось ранее, аналоговый сигнал передается по коаксиальному кабелю, а в кабельных сетях, работающих с протоколами Ethernet, передается обработанным в формате MPEG-2 и MPEG-4. В зависимости от вида сигнала и способа его передачи при построении сети будет использоваться различная передающая среда и оборудование.

В специализированных кабельных сетях, передающих большие потоки информации, телевизионный сигнал транслируется в цифровом формате сжатия MPEG, MPEG-2 и MPEG-4, в качестве проводящей среды преимущественно применяется витая пара и оптоволоконный кабель, так как их полоса пропускания шире, чем у коаксиального кабеля. В “домашних” сетях применяется экранированный коаксиальный кабель . Применительно к данной статье под “домашними” сетями понимается разводка от принимающего телевизионный сигнал устройства (эфирная или спутниковая антенна, кабельная сеть) до конечного потребителя (телевизора, монитора или иного устройства).

Для качественного изображения на конечном пользовательском устройстве (телевизор, монитор и др.) необходимо, что бы телевизионный сигнал соответствовал определенным параметрам. Например на входе телевизора он должен быть в диапазоне от 60 до 80 дБ/мкВ., если он будет более 80 дБ/мкВ - изображение становится “рваным”, звук - “гудящим”, а при слишком слабом - менее 60 дБ/мкВ - появляется “снег”, пропадает цвет, возникает звуковой фон. При падении уровня цифрового сигнала ниже порогового значения, изображения вобще не будет. Поэтому при проектировании и монтаже телевизионных систем одной из основных задач является сохранения необходимого уровня сигнала. Для этих целей производятся специальные расчеты с учетом всех влияющих на уровень сигнала факторов, подбирается соответствующее оборудование и кабель.

На качество изображения влияют следующие факторы:

• длина кабеля и его характеристики (тип, структура,качество);
• количество разрывов и разветвлений к телевизорам (чем меньше, тем лучше);
• концевая заделка кабеля (коммутация);

Преимущественно для нужд телевидения (кроме магистральной проводки) используется коаксиальный кабель – это электрический кабель, оптимален для передачи высокочастотных сигналов, состоит из расположенных соосно центрального проводника и экрана, поэтому все нежелательные электромагнитные помехи индуцируются только в экране, если он правильно заземлен, то наведенный шум разряжается через заземления устройств. Видеосигнал проходит через центральную жилу, в то время как экран используется для уравнивания нулевого потенциала концевых устройств. Рекомендуется применять кабель надежных производителей с обязательной маркировкой и волновым сопротивлением 75 Ом, так как на него рассчитаны все телевизоры и коммутационные приборы – усилители, разветвители. Диаметр внешней оболочки предпочтительно должен быть не менее 6 мм., центральная жила и экранирующая оплетка выполнены из электротехнической меди. Под эти требования подходят кабели марки SAT 703B и DG 113, но они стоят достаточно дорого. Самым распространенным и доступны по цене вариантом является кабель RG 6U, его центральная жила выполнена из стали и покрыта медью гальваническим методом, экран выполнен из алюминиевой фольги и оплетки из сплава меди.

Подключение разветвителей, подразумевает под собой промежуточный разрыв кабеля, чем больше разрывов, тем больше затухание (потеря) сигнала. В случае если при этом плохо выполнена заделка концов кабеля или использованы не качественные разъемы – потери сигнала могут стать критическими и приведут к выходу из строя всей системы.

Между собой оборудование телевизионной системы (телевизоры,разветвители, усилители и т.д.), соединяются (коммутируются) с кабелем при помощи F – разъемов (коннекторов) это называется концевой заделкой кабеля. F-разъемы различаются способом крепления на кабель – с резьбой или с обжимкой; и диаметром – для кабеля разной толщины. Рекомендуется использовать только качественные разъемы проверенных производителей, например, если гайка F - разъема будет неплотно приклепана к его кабельной части, то при случайном механическом усилии разъем может разлететься, если же она заклепана слишком сильно, то разъем будет трудно правильно установить. Монтажник не обязательно должен досконально знать и понимать все оборудование системы, но если качественно проложить и заделать (скоммутировать) кабель, то почти наверняка система будет работать отлично.

Принципы разводки телевизионного сигнала на несколько потребителей

В настоящее время редко встретишь дом в котором только один телевизор, чаще всего их количество ограничивается только количеством помещений, существует несколько способов разводки кабеля:

• параллельная схема, или разводка “звездой” - при монтаже используются разветвители (делители или сплиттеры), которые осуществляют равное деление мощности входного сигнала на 2, 3, 4, но надо учитывать, что при каждом делении на 2 мощность сигнала на каждом выводе уменьшается в 2 раза (от 3,5 до 4.5 дБ). Такой способ разводки обеспечивает высокую равномерность мощности в телевизионном диапазоне частот и высокую развязку между выводами, однако требует большего количества кабеля;
• последовательная схема - при монтаже используются ответвители (тапы), телевизионные отводы подключаются последовательно (каскадно) один за другим. Такая разводка обеспечивает неравномерное деление сигнала. Она проще в реализации, требует несколько меньшего количества кабеля. Однако в этой схеме можно развести сигнал на меньшее количество потребителей.
• комбинированная – одновременно используется и тот и другой методы.

Эти принципы разводки телевизионной системы появились еще в эпоху, когда существовало только аналоговое телевидение, но принципиально не изменились. Конечно, тогда все было намного проще, телевизор на квартиру или частный дом был, как правило один, тогда главным было сохранить уровень сигнала при разводке телевидения от общей коллективной антенны, например в гостиницах или многоквартирных домах. Сейчас ситуация значительно изменилась, появилось спутниковое и кабельное телевидение, значительно возросло количество телевизоров и других устройств для просмотра телевидения. Как ни странно, но на принципах разводки эти изменения не отразились, изменилось только количество коммутационного оборудования, его комбинации и характеристики. Приведем некоторые, наиболее распространенные примеры телевизионных систем. Заранее оговоримся, что примеры носят ознакомительный характер и описывают основные принципы, в реальной жизни на подбор оборудования будут влиять индивидуальные дополнительные факторы, такие как:

• типы сигнала – аналоговый или цифровой или и вместе;
• уровень входного сигнала – зависит качества, характеристик, настройки коллективной или индивидуальной антенны, физического месторасположения объекта, уровня сигнала кабельной сети и др.
• затухание сигнала в кабеле – зависит от его качества, протяженности, количества коммуникационных устройств, количество подключаемых устройств-пользователей;
• конструктивных особенности помещений;
• качества и конструкция телевизионных розеток, используемого оборудования и др.

Это далеко не все факторы, которые необходимо учитывать при проектировании и монтаже телевизионной сети. Конечный результат будет очень сильно зависеть от уровня квалификации проектировщика и монтажников, особенно сейчас, когда телевизионные системы становятся все сложнее, функциональней и масштабней.

Самый простой пример : надо в многоквартирном доме от кабельной системы или колективной антенны подключить два телевизора. По ГОСТ 28324-89 уровень сигнала в кабельной сети на пользовательском отводе (подходит к квартире) должен быть не менее 75,2 дБ/мкВ, нам желательно сохранить такой же уровень на телевизоре.

• Параллельная схема разводки – предположим, что расстояния от точки ввода кабеля в квартиру до каждого телевизора примерно одинаково и равно около 10 м. Рассчитываем потерю сигнала: на делителе на 2 выхода – около 3 дБ; на кабеле 10 м. (очень зависит от частоты, чем выше частота, тем больше затухание, мы будем рассматривать максимальные потери) – до 2 дБ; телевизионных розетках – в среднем это порядка 10 дБ; потеря на коммутационных разъемах порядка 1 дБ. Итого 16 дБ. , таким образом уровень входного сигнала на телевизор около 59 дБ, это мало, поэтому необходимо дополнительно до делителя поставить высокочастотный усилитель сигнала не менее чем на 20 дБ и выставить его на соответствующий уровень усиления (примерно 16дВ).
• Последовательная схема разводки – предположим, что от точки ввода кабеля в квартиру первый телевизор находится близко (до 10 м.), а второй значительно дальше (до 50 м.) при последовательной схеме кабель доводится до первого отвода телевизионной точки, в этом месте устанавливается ответвитель (tap). Ответвитель предназначен для уравнивания сигнала на каждой телевизионной точке. Уравновешенный сигнал с “отвода “TAP” подается на первую телевизионную розетку с малым метражом кабеля до телевизионной розетке, к проходному “выходу” подключается розетка имеющая более большую длину кабеля. Таким образом происходит уравновешивание сигналов на оконечных точках. Рассчитываем схему и оборудования: потери на кабеле до первой телевизионной точке- до 3 дБ, на второй телевизионной точке 6дБ; на телевизионных розетках – 10 дБ; на разъемах – 3 дБ; ответвитель с минимальным затуханием – 3 дБ/м; Итого на первой телевизионной точке 17 дБ, на второй телевизионной точке 20 дБ. Из этого следует что ответвитель нам следует подобрать с затуханием на отводе в 3дБ. Необходимо установить усилитель сигнала не менее 20 дБ и выставить его на соответствующий уровень усиления. Система будет выглядеть следующим образом: из усилителя сигнал будет выходить с уровнем 95,2 дБ/м, к ответвителю он подойдет с потерями около 2 дБ/м, от к первой телевизору придет сигнал равный 95,2-3(кабель)-4 (ответвитель) -3 (коммутация)-10(розетка)=75,2 дБ/м, ко второму телевизору от разветвителя придет сигнал равный 95,2-1(ответвитель)-3(коммутация)-6(потери кабеля)-10 (розетка) = 75,2 дБ

В разветвленной сети, когда требуется разводка на 5 и более потребителей, используются дополнительные усилители и комбинированные распределительные схемы на делителях и ответвителях. Такие схемы требуют измерения и расчета уровня сигнала на каждом телевизионном канале, так как потери в кабеле и ответвителях зависят от частоты. Потери сигнала в кабеле диаметром 6 мм типа AF113 или 703-SATсоставляют не более 0,2 дБ/м в диапазоне ДМВ, у кабеля типа RG6U - не более 0,3 дБ/м. Ориентировочно можно прикинуть, что с кабелем RG6U при входном уровне сигнала в ДМВ диапазоне75 дБ/мкВ его можно развести на 4 потребителя с максимальной длиной отвода 15-20 м. При использовании кабеля типа AF113 или 703-SAT максимальная длина составит 30 м, а для кабеля типа CW41S (диаметр 3,6 мм) только 10 м, что, как правило, является недостаточным. Отечественный коаксиальный кабель, как РК4-75-12 не предназначен для работы в диапазоне ДМВ, кроме того, имеет очень низкую экранирующую способность, и использовать его для любой разводки телевизионного сигнала не рекомендуется.

Даже на сомом простом примере видно, что проектирование и монтаж телевизионной сети, это не такое простое дело, как кажется на первый взгляд. Существуют еще более сложные схемы, например, когда необходимо объединить в сеть сигнал с эфирной и спутниковой антенны, при этом развести его на несколько телевизоров. Встречаются варианты объединения сигнала с нескольких спутниковых антенн и эфирной, и даже подключение дополнительно кабельного телевидения. Для реализации этих схем используется дополнительное оборудование, например специализированные усилители, мультисвичи, коммутаторы (DiSEqC), диплексоры и т.д. Оборудования очень много и в каждом конкретном случае оно подбирается индивидуально, вплоть до учета марки производителя и модификации серии.

Оборудование телевизионной сети:

Методы прокладки телевизионного кабеля внутри помещения:

До начала работ по прокладке кабеля в помещении или на улице, необходимо проверить кабель на предмет разрывов и повреждений. При монтаже лучше использовать целые куски кабеля, для этого необходимо заранее определиться с длиной кабеля, до места первого коммутационного соединения и выбрать бухту с соответствующей длиной кабеля. Чаще всего встречаются бухты по 300 м., но есть и по 100 и по 500 м. Следует помнить, что чем меньше в кабеле разрывов, тем лучше будет сигнал. В местах коммутации, при протяжке кабеля лучше заранее оставлять запас, что бы в последствии избежать излишнего натяжения кабеля или его наращивания.

До начала работ по монтажу телевизионной сети, необходимо исследовать предполагаемую трассу, определить сложные места, острые углы, выступы и др. факторы способные повлиять на целостность кабеля. В таких местах нужно заранее продумать способы монтажа и закрепления кабеля. Для наружной прокладки кабеля применяется открытый и закрытый способы.

• Открытым способом кабель проводится наземным способом, преимущественно по фасадам здания, крышам, иным конструктивным элементам, а так же допустимо крепление на тросы, но специальными креплениями и по особой технологии. Открытый способ позволяет выполнить работы быстро и с относительно небольшими затратами, кабель легко доступен для диагностики и последующего обслуживания, но проводка выглядит не эстетично, кабель подвержен случайным или умышленным повреждениям.
• Закрытым способом кабель укладывается в специальные кабельные каналы на фасаде здания или под землей. Такой способ гарантирует большую сохранность кабельной сети, предохраняет кабель от повреждений и несанкционированного доступа, но стоимость работ гораздо дороже, процесс более трудоемкий и долгий, и в последующем затруднен доступ к кабелю для диагностики и обслуживания. Довольно-таки часто встречается ситуация, когда приемные спутниковые и эфирные антенны устанавливаются на одном здании (например котедж), а телевизионная сеть делается на несколько зданий (например на основной дом, гостевой, баню и сторожку охраны или дом прислуги). Ставить несколько антенн и делать изолированные телевизионные сети бывает не функционально, поэтому делается единая телевизионная сеть, а коммутация системы на улице делается преимущественно закрытым способом.

После определения способа монтажа, проверки кабеля и трассы, можно приступать к работе. Дадим некоторые практические рекомендации, основанные на нашем собственном опыте, которые могут пригодится при монтаже телевизионной сети на улице:

• кабель отходящий от антенны, необходимо качественно закреплять и не допускать его провисания и излишнего натяжения, для этого кабели связывают между собой и крепят по всей длине трассы – на мачте, элементах крыши, стене, тросе и др.;
• для предотвращения возможного провисания кабеля под собственным весом, при вертикальной прокладке кабель закрепляют с промежутком 0,5 – 1 м.;
• на крышах кабель преимущественно крепится на высоких элементах или под ней, чтобы не препятствовать сходу и чистке снега и минимизировать риски повреждения кабеля;
• места коммутации кабеля с антенной или конвертером должны быть герметично заделаны, чтобы избежать попадания влаги;
• при необходимости пересечения с электрическим кабелем, кабель телевизионной системы рекомендуется прокладывать под ним на расстояние не менее 2 м.;
• в случае укладки кабеля в грунт, для предотвращения возможности повреждения кабеля от контакта с неоднородным грунтом (возможна деформация, разрыв кабеля), рекомендуется укладывать его на песчаную подушку от 50 до 150 мм., и присыпать сначала таким же слоем песка а потом закрывать основным грунтом. Хорошо, когда кабель под землей прокладывается в специальных трубах, конечно это дорого, но в этих случаях кабель защищен от всех внешних неблагоприятных условий;
• между конечными точками крепления кабеля лучше оставлять небольшую слабину, а не делать его сильно в натяг, в случае чего он будет плохо реагировать на колебания темпиратуры и вибрацию.

В качестве резюме перечислим основные причины нарушений или не качественной работы телевизионных сетей:

• Телевизионная система выполнена не качественно, например допущены ошибки в расчетах затухания сигнала, не правильно спроектирована схема разводки и коммутации, подобрано не соответтсвующее оборудование, кабель, разъемы;
• Кабель не соответствует требованиям системы, например не та категория, вид, качество и т.д.;
• Коммутационное оборудование не соответсвует требованиям системы по своим характеристикам и/или качеству, возможно оно просто не работает;
• Очень низкий уровень входящего сигнала, который не возможно повысить до необходимого для корректного функционирования системы уровня;
• Концевая заделка кабеля выполнена плохо, с нарушениями и/или использовались разъемы не надлежащего качества;
• Бывают случаи, когда несколько или все факторы происходят одновременно.

Монтаж телевизионной сети это совсем не так просто, как кажется на первый взгляд. Подключить телевизор к уже готовой розетке это совсем не тоже самое, что создать новую систему или усовершенствовать старую. Здесь важно учитывать и правильно использовать все факторы, в том числе тип и способ передачи сигнала, правильно подобрать передающую среду, коммутационное оборудование, схему разводки и многое другое. Чем интенсивней развивается телевидение, чем больше появляется новых каналов, форматов вещания и дополнительных возможностей, чем больше появляется функций у телевизоров, тем выше должен быть уровень квалификации специалистов, занимающихся проектированием и монтажом телевизионных систем.

Для нас каждый Заказчик и его требования к системе индивидуальны. Мы не стараемся уложить все в типовые решения, хотя они имеют место быть, а стремимся создать что-то новое, с присущими только этой системе характерными чертами. Наша цель – это создать экономичную и функциональную систему, способную максимально удовлетворить, а в чем-то даже предвосхитить запросы Заказчика, создать комфортные условия эксплуатации системы с мини. При достижении этой цели мы руководствуемся специализированным образованием, многолетним опытом, данными мониторинга развития телевизионных и сетевых технологий и самое главное, желанием создавать функциональный и нужный для людей продукт.

Телевидение. Совокупность устройств, действие которых направлено на передачу на расстояние движущегося изображения и звука - это . В повседневной жизни так обозначаются организации, которые занимаются производством, а так же распространяют телевизионные передачи. Телевидение и радиовещание - самые массовые средства для распространения разного рода информации, а так же основное средство связи.

Основные принципы

В основе телевидения принцип передачи изображения, при помощи радиосигнала или проводов. Телевизионная цепочка включает в себя несколько устройств:
- передающая телекамера, которая преобразует изображение (полученное через объектив) в телевизионный видеосигнал.
- телекинопроектор, который преобразовывает «картинку» и звук на кинопленке в телесигнал, а так же для демонстрации кинофильмов по телевидению.
- видеомагнитофон необходим для записи и воспроизводства, по мере необходимости, видеосигнала, сформированного телекамерой или телекинопроектором.
- видеомикшер дает возможность переключения среди нескольких источников изображения (камера, видеомагнитофон и пр.)
- передатчик, который ведет передачу по или по проводам, смоделированный телесигналом сигнал высокой частоты
- приемное устройство - телевизор. Синхроимпульсы из видеосигнала, помогают воссоздать телевизионное изображение на экране.

Чтобы сделать телепередачу, пользуются звуковой дорожкой, которая аналогична дорожке радиопередачи. Передача звука осуществляется по отдельной частоте, как правило, при помощи частотной модуляции, с использованием технологии, которая аналогична FM-радио. Цифровое телевидение функционирует с многоканальным звуковым сопровождением, которое передается одновременно с «картинкой», в едином потоке данных.

Стандарты и системы телевидения

Для телевизионного вещания принят свой стандарт. Так называется сумма числа строк, на которые раскладывается кадр, частоту его смены, или же поля с типом развертки. В мире используется три стандарта, применяемые для аналогового и цифрового телевидения, со стандартной четкостью. Стандарт цифрового телевидения использует цифровое анаморфирование изображения, которое адаптировано к сегодняшнему соотношению сторон экрана 16:9.

Телевидение высокой четкости (ТВЧ) заменяет традиционные стандарты. ТВЧ свойственны два основных стандарта разложения.

Система телевидения - это метод, который позволяет кодировать сообщение о цвете. Для телевидения со стандартной четкостью, свойственны три системы передачи цвета: NTSC, PAL, SECAM.
Наземным телевидением называют систему передачи телесигнала до потребителя с помощью телевизионных вышек и передатчиков (диапазон 47-862 МГц). Чтобы принять сигнал, используется комнатная или наружная антенна.

Метод передачи телесигнала от передающего центра до потребителя, который использует для этого искусственные спутники, находящиеся в пределах геостационарной орбиты Земли в космосе, над экватором - называется спутниковым телевидением. Они имеют приемопередающее оборудование. Эта система обеспечивает передачу качественного телесигнала на такие территории, которые не может охватить традиционный способ.

Чтобы передать аналоговое телевидение при помощи спутника, используется закодированный или зашифрованный вид, в стандарте NTSC, PAL или SECAM.

Модуляцию цифрового телесигнала, проводят при помощи QPSK или 8SPK. Цифровое телевидение, в частности передаваемое при помощи спутников, основывается на MPEG, DVB-S, DVB-S2.
Аналоговое телевидение это система, которая пользуется для получения, вывода и передачи изображения и звука, аналоговым электрическим сигналом. До возникновения цифрового телевидения, применялись аналоговые сигналы, которые передаются по кабелю или по радио. Сейчас, совершается перевод на цифровое телевидение. К 2015 году планируют полностью перейти на это телевидение и Китай.

Цифровое телевидение имеет одно главное преимущество. У него качество изображения и звука намного выше, чем у аналогового телевидения. Так же освободится диапазон радиоволн, который позволит создать новую беспроводную сеть.

Однако, у цифрового телевидения есть и отрицательные стороны. У него резкое ограничение площади, которую охватывает сигнал. Прием происходит внутри нее. Однако, она все равно больше, чем у аналогового телевидения, при одинаковой мощности передатчика. Еще один недостаток у цифрового телевидения - это остановка или раскладывание «картинки» на «квадратики», при низком уровне поступающего сигнала.
Основными стандартами считаются DVB (европейский стандарт), ATSC (американский стандарт), ISDB (японский стандарт).

История изобретения телевидения

Телевидение не было изобретено кем-то одним. Основание - это открытие фотоэффекта в селене, которое сделал в 1873 году Уиллоуби Смит. Затем изобретение сканирующего диска (изобретатель Нипков), которое повлекло за собой развитие механического телевидения. Этот вид телевидения был популярен до Второй мировой войны.

Впервые в мире, движущееся изображение было передано в 1923 году Чарльзом Дженкинсом, который использовал при передаче механическую развертку. Отображение, которое он передавал, было силуэтным, не содержащим полутонов. Система, с помощью которой передавались полутоновые изображения, была изобретена в 1926 году.

В то время, систем механического телевидения было несколько, но ни одна из них не смогла конкурировать с дешевыми и более надежными электронными системами.

Патент на технологии электронного телевидения, которое используется до сегодняшнего дня, был получен профессором Борисом Розингом. Он смог передать на расстояние неподвижное изображение. Этот опыт был поставлен в 1911 году. Электронно-лучевая трубка была нужна ему, чтобы воспроизвести изображение, для передачи пользовался механической разверткой.

Первая в мире передача изображения, которое двигалось, была показана в 1928 году, Б.П.Грабовским и И.Ф.Белянским. Несмотря на то, что изображение было грубым и неясным (как утверждает акт, зафиксировавший результат), именно этот опыт считается рождением сегодняшнего электронного телевидения. Телеприемник, который участвовал в опыте имел название «телефотом».

Изобретение «иконоскопа», в 1923 году В.Зворыкиным, принесло четкость в изображение и решило судьбу электронного телевидения. Эта трубка позволила организовать электронное телевещание. Первые передачи проходили с разложением на 240 строк. Сигнал принимался на расстояние до 100 км на телевизоры, выпуск которых проводила компания RCA.

Начало регулярного вещания телевидения

Первая телестанция WCFL появилась в 1928 году в Чикаго. Для передачи изображения и звука использовался единый диапазон радиоволн.

В Советском Союзе, стандарт механического телевидения (с разложением 30 строк и частотой кадров - 12.5 в секунду) существовал с 1931 года. Передачи звука не было. Регулярное вещание началось с 15.11.1934 года - 12 раз в месяц по 1 часу. В 1938 году начато регулярное электронное телевещание. Вышли первые модели телевизоров «ВРК».

В , в 1939 году, телецентр на Шаболовке начал свое вещание. Вначале передачи были 4 раза в неделю по 2 часа. Первый электронный телевизор «КВН-49», появился в в 1949 году. В 1950 - изобретен пульт дистанционного управления, который был подключен кабелем к телевизору.

В 1953 году, в , началось цветное телевещание.

Запись телепрограмм на телевидении

Стало развиваться регулярное коммерческое телевещание. Появилась необходимость сохранять телепередачи, чтобы потом их транслировать и распространять. Первые телестанции с УКВ-диапазоном, имели небольшой радиус действия. К середине 50-х годов стали появляться радиорелейные линии передач телесигнала, которые позволяли охватить большую аудиторию. Вначале, для записи использовали технологию кинорегистрации изображения. После создания первого видеомагнитофона (1956 год), стало проще хранить телепрограммы. В сегодняшнем телевещании используются цифровые технологии для видеозаписи и видеомонтажа. На сегодня они неотъемлемая часть телевидения.

Важность телевидения подтвердила , установив Всемирный день телевидения (21 ноября).,

Вещательные ТВС характеризуются стандартизацией параметров разложения, сигналов, видов модуляции, диапазонов частот передачи, наличием звукового сопровождения. Программы телевизионного вещания создаются телевизионными центрами.

При телевизионном вещании используются две несущие частоты. В соответствии с ГОСТ 7845-79 на основные параметры системы вещательного телевидения одна из них - несущая частота изображения - модулируется по амплитуде полным цветовым телевизионным сигналом, при этом минимальная амплитуда несущей соответствует уровню белого, а максимальная - уровню сигналов

синхронизации. В таком случае импульсные помехи оказываются менее заметными, поскольку проявляются на изображении в основном в виде темных точек. Повышается помехоустойчивость синхронизации, при передаче сигналов которой излучается максимальная мощность. Более полно используется модуляционная характеристика передатчика, так как при передаче сигналов синхронизации допускается использование ее нелинейных участков. Несущая частота звука модулируется по частоте сигналом звукового сопровождения

Разнос несущих частот звука и изображения в разных странах различный. Он составляет 6,5 МГц в странах - членах Международной организации радиовещания и телевидения, в том числе в СССР; 4,5 МГц - в американском стандарте; 5,5 МГц - в ряде стран Западной Европы и 6,0 МГц - в Англии. Несущая изображения располагается по частоте ниже несущей звука.

В настоящее время в СССР используется 12 радиочастотных каналов в метровом диапазоне волн (48,5-230 МГц) и осваиваются радиочастотные каналы дециметрового диапазона (470- 790 МГц). Благодаря частичному подавлению нижней боковой полосы частот радиосигнала изображения на каждый канал отводится полоса частот 8 МГц. В мире действуют в основном два стандарта телевизионной развертки: европейский на 625 строк при 25 кадрах в секунду и американский на 525 строк при 30 кадрах в секунду. Используется чересстрочное разложение с двумя полями в кадре и форматом кадра 4/3.

Для телевизионного вещания стандартизованы три системы цветного телевидения: NTSC, SECAM и PAL . Система NTSC разработана в США. Ее стандарт принят в 1953 г. и в дальнейшем использован в Японии, Канаде и других странах американского континента. В результате последующих исследований были разработаны советско - французская система SECAM, принятая для вещания в СССР, Франции, большинстве социалистических стран и в ряде стран Северной Африки, и западно - германская система PAL, используемая в ряде оран Западной Европы. Регулярное цветовое вещание по системам SECAM и PAL началось в 1967 г.

Во всех системах цветовая информация передается на поднесущей, расположенной в высокочастотной части спектра яркостного сигнала. Системы отличаются друг от друга способами модуляции цветовой поднесущей, видом цветоразностных сигналов и очередностью их передачи.

В системах NTSC и PAL в каждой строке передаются два цветоразностных сигнала (например, ) одновременно модулирующих одну и ту же поднесущую частоту в двух балансных модуляторах. Цветовая поднесущая подается на модуляторы с фазовым сдвигом 90°, т. е. в квадратуре. Такой метод двойной модуляции получил название квадратурной модуляции. Результирующее колебание

полученное от сложения двух находящихся в квадратуре балансно - модулированных колебаний, оказывается промодулированным по амплитуде и по фазе Таким образом, квадратурная модуляция представляет собой амплитудно - фазовую модуляцию, где амплитуда несет информацию о насыщенности цвета, а фаза - о его цветовом тоне. Разделение сигналов на приемной стороне достигается синхронным детектированием.

В качестве цветоразностных в системе NTSC используются сигналы Е, и а в системе PAL - [см. (3.46) и (3.43)]. Отличительной особенностью системы PAL, способствующей улучшению ее характеристик по сравнению с системой NTSC, является коммутация фазы цветовой поднесущей в канале красного цветоразностного сигнала от строки к строке на ±90°.

В системе SECAM сигналы одновременно не передаются. Они чередуются от строки к строке, модулируя цветовую лоднесущую по частоте. Для улучшения характеристик системы вводятся амплитудные предыскажения сигнала цветности.

В аппаратуре телевизионных центров применяются различные виды источников телевизионных сигналов: передающие каперы, кино-, диа- и эпипроекторы, генераторы электронных испытательных таблиц с соответствующими каналами усиления и обработки сигналов. Процесс обработки начинается в передающей камере и продолжается в камерном канале. Он включает в себя коррекцию затухания высокочастотных компонентов сигнала в камерном кабеле, апертурных искажений и неравномерности сигнала по полю изображения, вносимых ФЭП, а также амплитудной характеристики системы, фиксацию уровня черного в сигнале и замешивание импульсов гашения обратных ходов развертки в кинескопе.

Каждый канал вещательной системы цветного телевидения заканчивается кодирующим устройством и формирует полный цветовой телевизионный сигнал. Такой односигнальный принцип формирования позволяет повсеместно контролировать выходной рабочий сигнал, который без дополнительной обработки может поступать да радиопередатчик.

Кафедра радиоэлектроники

Реферат на тему:

Формирование изображения в телевизионных системах

Телевизионная система

Светоделение

Телевизионная система

Основным назначением телевизионных систем является формирование на экране воспроизводящего устройства изображения передаваемых сцен в реальном времени или с использованием видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Вместе с тем телевизионные методы широко используются в системах анализа изображений с целью извлечения полезной информации об изучаемых объектах или процессах.

Наиболее привычным для человека носителем информации об окружающем его мире является видимое излучение (область спектра электромагнитных колебаний с длиной волны X примерно от 380 до 760 нм, непосредственно воспринимаемых глазом). С помощью зрительной системы человек получает наибольший (до 80%) объем информации из внешнего мира. "Соседние" участки оптического спектра: инфракрасный - 780...104 нм, ультрафиолетовый - 5...380 нм, рентгеновский - 0,01...5,00 нм и др., - также несут существенную информацию об окружающих предметах и протекающих процессах, но она не может непосредственно восприниматься глазом (указанные границы участков спектров, естественно, условны). Для восприятия излучений в этих участках спектра используют различного рода преобразования невидимого оптического изображения в видимое - визуализацию невидимых изображений. Такое функциональное назначение ТВ С стало одним из важнейших в настоящее время.

В качестве примера ТВС рассмотрим систему, назначением которой является формирование изображения передаваемой сцены, предназначенного для восприятия человеком. Схема подобной ТВС приведена на рис.1. Источник света освещает передаваемую сцену световым потоком F0. Отраженный световой поток F оказывается сложной функцией координат х, у, z пространства объектов, длины волны излучения лямбда и времени t. С помощью оптической системы (объектива) формируется изображение передаваемой сцены Е (х, у, лямбда, t) - распределение освещенности в координатах х, у плоскости изображения. Это изображение является входным сигналом ТВС. С помощью фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) оно преобразуется в электрический сигнал (сигнал изображения). Этот сигнал после усиления и обработки поступает в канал связи (радиоканал, кабельная линия связи и т.п., включающие кодирующие и декодирующие элементы устройств передачи и приема). С выхода канала связи сигнал после дополнительной обработки и усиления поступает на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) - кинескоп. На экране ЭЛТ воспроизводится изображение передаваемой сцены. Для синхронной работы всех узлов системы используется генератор синхронизирующих сигналов - синхрогенератор, а для отклонения электронных пучков ФЭП и ЭЛТ в системе применены генераторы развертки.

В системах, предназначенных для автоматического анализа изображений, сигнал с выхода устройства обработки и усиления подается на анализатор, в качестве которого может использоваться универсальная ЭВМ или специализированный вычислитель.

Такие ТВС часто содержат устройство записи сигнала изображения, регистратор данных об объектах в поле изображения или исполнительное устройство (например, в устройствах управления подвижными объектами).

Таким образом, в рассматриваемых системах, как и в любых других, предназначенных для передачи информации, предусматривается наличие носителя информации, в параметрах которого закодировано сообщение о передаваемой сцене. Телевизионная система является сложной многозвенной системой передачи информации, сигнал которой на различных участках может иметь разную физическую природу (световые кванты, электроны и др.).

Какие параметры сигнала - носителя информации - можно использовать для передачи сообщений в ТВС? Это может быть видимое излучение - белый свет с равномерным или близким к нему распределением мощности по спектру излучения. Как известно, белый свет может быть представлен в виде суммы большого числа монохроматических составляющих со случайными амплитудами, частотами, фазами, направлениями распространения и поляризацией. Хотя использование этого излучения ограничено вследствие случайности его параметров, однако и в этом случае можно проектировать достаточно эффективные ТВС, основанные на модуляции таких параметров, как амплитуда излучения, его спектральный состав и поляризация.

Для каждого конкретного момента времени реакция ФЭП на воздействующее излучение описывается зависимостью его выходного сигнала s от функции распределения мощности излучения Р (Х) с учетом спектральной чувствительности ФЭП:

Выходной сигнал большинства ФЭП, как и реакция зрительной системы человека (ощущение), может быть определен соотношением (1) при соответствующих спектральной чувствительности е (Х) и нормировке ощущения. Для глаза - это спектральная чувствительность или кривая относительной видности v (A). Ощущение оказывается пропорциональным воздействующему световому потоку

Формирование оптического изображения

Входным сигналом ТВС является плоское оптическое изображение (изображения) - Е (х, у, ƴ, t). Проектирование любой ТВС включает анализ вопросов формирования оптического изображения на входе системы. Качество сформированного телевизионного изображения в значительной степени определяется качеством входного оптического изображения. Без учета механизмов его построения невозможна правильная интерпретация данных об исследуемой сцене в системах автоматического анализа изображений и системах технического зрения.

Для понимания механизмов формирования входного изображения будем опираться на основные закономерности геометрической оптики. Объект, например излучающий (светящийся) или отражающий, может быть описан функцией яркости L (х, у, z, ƴ, t), где х, у, z - пространственные координаты; ƴ - длина волны излучения; t - время. Аналогично может быть описано плоское изображение этого объекта L (x, у, ƴ, t), в частности как функция освещенности Е (х, у, ƴ, t), построенное той или иной изображающей системой в координатах х, у пространства изображений.

Из оптики известно, что изображением точечного объекта, создаваемым идеальной оптической системой, является точка, в которую сходятся лучи, исходящие от рассматриваемого точечного объекта. Если принять каждую точку поверхности объекта, отражающую свет от постороннего источника, за локальный источник света, то совокупность изображений этих точек дает оптическое изображение объекта. Совокупность точек, изображение которых можно получить с помощью отображающей системы, образует пространство объектов, а совокупность точечных изображений этих объектов - пространство изображений.

В этом случае световые лучи слабо преломляются и поглощаются средой. Это дает возможность формировать изображения, адекватно отображающие свойства передаваемой (наблюдаемой) сцены. В тех же случаях, когда эти условия не выполняются, возникают определенные яркостные, цветовые и геометрические искажения. Например, при наблюдении удаленных горных ландшафтов или поверхности Земли с летательных аппаратов возникают цветовые и контрастные искажения, вызванные избирательным поглощением и рассеянием света в атмосфере (густозеленые массивы приобретают голубоватый оттенок, контрасты объектов разной яркости снижаются). В связи с эффектами, вызванными преломлением света в атмосфере, на изображении, в том числе и при наблюдении глазом, возникают геометрические искажения. В необходимых случаях указанные закономерности формирования изображений учитываются особо.

Геометрическая оптика основывается не только на постулате об однородности среды, но и о прямолинейности и взаимной независимости распространения в ней световых пучков, обратимости хода световых лучей, известных законах отражения и преломления света, принципе Ферма и законе сохранения энергии.

В результате расчетов определяются характеристики механической конструкции устройства и требуемые значения их вариаций в процессе фокусировки, изменения яркости, спектрального состава и других параметров; производится выбор оптических элементов.

Расчет оптического узла базируется на свойствах кардинальных точек, данных о главной и фокальных плоскостях, а также фокусных расстояниях. Луч 1 (рис.2), параллельный оптической оси объектива, в пространстве изображений 1" пересечет оптическую ось в точке F". Эта точка называется задним фокусом объектива и является изображением бесконечно удаленного точечного объекта. В этой точке собираются все лучи, распространяющиеся параллельно оптической оси, в том числе и луч, совпадающий с оптической осью, который проходит через точку фокуса без изменения направления своего распространения в оптической системе.

Параллельные лучи при распространении в обратном направлении (2 и 2") собираются в точку переднего фокуса F. Лучи 1 и 1" называют сопряженными, их продолжение образует точку N", лежащую в задней главной плоскости объектива (N" Н"). Аналогично образуется точка N, лежащая в передней главной плоскости (N H).

Важнейшей рабочей характеристикой объектива является его фокусное расстояние f: переднее - от передней главной плоскости до точки переднего фокуса (f), заднее - от задней главной плоскости до точки заднего фокуса f). Плоскости, проходящие через точки фокусов F и F" перпендикулярно оптической оси, называют передней и задней фокальными плоскостями. Фокальные плоскости являются геометрическим местом точек, в которых собираются пучки параллельных между собой лучей пространства предметов произвольного угла наклона к оптической оси системы, например пучок лучей L собирается в точке L", лежащей в задней фокальной плоскости.

Построение оптического изображения сцены рассмотрим на примере отрезка АВ, определяющего положение предмета (рис.3). Оптическую систему зададим положением главных плоскостей F и F" фокусов F и F". Из точки В проведем лучи: 1, параллельный оптической оси, и 2, проходящий через передний фокус F объектива. Первый в пространстве изображений пройдет через задний фокус F" (l"), а второй будет распространяться параллельно оптической оси (2"). Их пересечение В" образует изображение (сопряженную точку) соответствующей точки В сцены. Изображение точки А, лежащей на оптической оси, можно получить, проведя из точки В" перпендикуляр к оптической оси: точка А" будет изображением точки Л.

Найти ее можно также путем графического построения. Выберем произвольный луч 3. Этот луч пересечет переднюю главную плоскость. Через передний фокус F проведем перпендикуляр к оптической оси объектива и из точки С пересечения его с лучом 3 построим линию (пунктир 4), параллельную оптической оси, до пересечения ее с задней главной плоскостью. Если точку С считать источником света, который находится, как видно из рис.1.3, в передней фокальной плоскости, то воображаемый луч 4 пройдет через задний фокус F", а луч, распространяющийся из точки С по пути 3, в пространстве изображений будет параллелен лучу 4" (так как луч 3 и воображаемый луч 4 выходят из одной точки С, лежащей в передней фокальной плоскости), т.е. это луч 3". Его пересечение с оптической осью и будет изображением точки А.

Таким образом, плоскость, проходящая перпендикулярно оптической оси системы и включающая отрезок А"В", будет плоскостью резкого изображения сцены (плоскостью фокусировки), содержащей изображение отрезка АВ.

Рис 2. Кардинальные точки оптической системы

Для определения положения плоскости фокусировки изображения или соответствующих сопряженных точек относительно переднего и заднего фокусов можно воспользоваться аналитическими соотношениями, вытекающими из уравнения Ньютона.

Для определения фокусных расстояний и положения главных плоскостей сложной оптической системы рассмотрим входной луч 2, параллельный оптической оси, и проследим, как указано выше, его прохождение через сложную оптическую систему. Обозначим расстояние луча 2 от оптической оси h2. В результате построения установим, что на выходе этот луч пересечет оптическую ось в точке F. Эта точка и определит заднее фокусное расстояние F - эквивалентное заднее фокусное расстояние рассматриваемой оптической системы.

Для определения переднего фокусного расстояния fx, положения точки фокуса Fx и передней главной плоскости Нъ следует произвести построение хода лучей в обратном направлении.

Таким образом, рассматриваемая сложная оптическая система может быть сведена к эквивалентной, определены ее параметры, которые могут быть использованы для построения изображения.

Выше рассматривалось построение изображения плоской сцены. В процессе анализа формирования изображения объемной сцены вводят понятие о глубине изображаемого пространства.

Если учесть, что светочувствительные элементы преобразователя изображения ТВС имеют конечные размеры, например 5 х 5, то точки 1,2,3 и все элементы сцены, лежащие между плоскостями Н2 и H3, будут переданы практически с одинаковой резкостью, если будут выполнены условия, т.е. если кружки рассеяния не превысят размеры элемента разложения преобразователя изображения. Плоскости H2 и H3 будут ограничивать пространство объектов, передаваемых с заданной четкостью.

Рис. 3. К определению поля зрения оптической системы

Можно показать, что глубина пространства А3 (в сторону к объективу) меньше, чем в сторону удаления от плоскости наведения (А2). Глубина изображаемого пространства увеличивается с увеличением расстояния а до передаваемого объекта и с уменьшением диаметра диафрагмы D, ограничивающей входной световой поток.

Роль диафрагмы, ограничивающей световой поток, существенна в формировании изображения не только в отношении глубины пространства, отображаемого с заданной резкостью. Диафрагмы определяют и ту часть сцены в направлении, перпендикулярном оптической оси, которая может быть отображена на изображении, т.е. определяют поле зрения оптической системы.

Положим, что D (рис.3) - действительная диафрагма, которая ограничивает пучок световых лучей, участвующих в формировании изображения, - апертурная диафрагма, DxuD2 - изображения этой диафрагмы в передней и задней частях оптической системы. Если Dy или D2 заменить реальными диафрагмами, то они будут ограничивать световой поток так же, как диафрагма D. На основании этого в оптике вводят понятие о входном зрачке Di - действительном отверстии или его изображении, которое ограничивает падающий световой пучок. Выходным зрачком D2 называют изображение входного зрачка всей системой.

Входной зрачок определяет пучок световых лучей, участвующих в формировании изображения. Однако не все световые лучи, прошедшие через входной зрачок, пройдут через оптическую систему. Действительно, пучок от точки Е минует активную часть оптической системы и, как видно из рис.3, будет поглощен оправой О. Пучок от точки С лишь частично пройдет через систему и создаст изображение с уменьшенной освещенностью. Таким образом, периферийная часть изображения будет затемнена за счет частичного поглощения пучка; это явление называют виньетированием. Поле зрения системы оказалось в рассматриваемом случае ограничено оправой входного звена системы. Ограничение поля зрения может осуществляться и другими элементами системы или специально введенной диафрагмой поля зрения.

Качество телевизионного изображения в значительной мере определяется освещенностью оптического изображения на входе преобразователя. Для выполнения соответствующих расчетов следует установить связь между освещенностями изображения Ет и передаваемой сцены (объекта) Fo6.

1) свет поступает в систему в виде параксиальных пучков;

2) пучки составляют небольшие углы с оптической осью системы;

3) показатель преломления оптических элементов постоянен для всех лучей независимо от длины волны.

Невыполнение указанных условий приводит к появлению аберраций - искажений изображения, создаваемого оптической системой. Основные аберрации можно разделить на монохроматические, проявляющиеся при использовании широких, а также узких внеосевых монохроматических пучков, и хроматические, возникающие при формировании изображении пучками света с широким спектром длин волн.

В связи с тем что расчеты аберраций оптических систем относятся к специальным разделам оптики, ограничимся перечислением тех из них, которые могут в большей степени проявиться при формировании оптического изображения на входе ТВС.

Параксиальный пучок, как было показано выше, дает изображение точечного объекта А, например расположенного на оптической оси, в виде точки А".

Лучи, проходящие через более удаленные (периферийные) зоны, например 2, 3,..., дадут изображения в точках А", А"",... Нетрудно видеть, что в любом месте расположения светочувствительной поверхности ФЭП точка А будет изображена в виде кружка рассеяния. Этот вид искажений называют сферической аберрацией. Заметим, что этот вид искажений проявляется не только на сферических поверхностях объективов. Нетрудно видеть, что и при положении точки А вне оптической оси системы эти искажения проявляются в полной мере. Положительные (собирательные) и отрицательные (рассеивающие) линзы имеют сферические аберрации разных знаков; это свойство используют для компенсации искажений при создании оптических систем.

Для периферийных пучков монохроматические аберрации усложняются и преобразуются в более сложный вид, при котором точка отображается в виде асимметричного пятна рассеяния, - эти аберрации называются кома.

Если лучи в пространстве предметов составляют большие углы с оптической осью, то на изображении можно заметить характерные искажения, вызванные тем, что увеличение (3 зависит от угла, образуемого пучком лучей с осью системы, т.е. оно различно для центральной и периферийной частей изображения. Эти искажения (дисторсия) приводят к искривлению прямых линий и особенно заметны при передаче решетчатых структур (подушкообразные и бочкообразные искажения). С этими искажениями приходится считаться в измерительных ТВС, а также в вещательном ТВ при передаче предметов, находящихся на близком расстоянии от телевизионной камеры.

Для лучей, исходящих из точек объекта, не лежащих на оси оптической системы, характерны искажения, вызванные тем, что лучи одного и того же пучка, идущие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после преломления в оптической системе не собираются в одну точку, а образуют две точки фокуса - возникает кружок рассеяния. Этот вид аберраций называют астигматизмом.

Специфические искажения, возникающие при использовании немонохроматического света, называют хроматической аберрацией. Фокусное расстояние линзы зависит не только от кривизны передней и задней ее поверхностей.

В современных объективах хроматическая аберрация корректируется путем подбора линз с различными показателями преломления и дисперсией (ахроматические системы). Если коррекция осуществляется в трех участках спектра, то остаточную аберрацию называют третичным спектром. В цветном телевидении используют объективы с высокой степенью коррекции хроматической аберрации. Заметим, что рассмотренный вид хроматической аберрации, проявляющейся на оптической оси, на периферии изображения дополняется хроматической аберрацией наклонных световых пучков и хроматизмом увеличения оптической системы.

Устранение аберраций возможно путем построения сложных оптических систем. При решении конкретных задач формирования изображения удается рассчитать оптическую систему, не выходя за рамки разумного усложнения конструкции.

Важнейшей рабочей характеристикой оптической системы является ее разрешающая способность, или разрешающая сила, - способность раздельно воспроизводить на изображении (разрешать) две точки, расположенные раздельно. В идеальной оптической системе предел разрешению устанавливает дифракция света. В реальных системах разрешающая способность определяется их аберрациями.

В телевизионных устройствах используют объективы с малыми углами зрения (менее 15... 20°), универсальные (20...60°) и широкоугольные (более 60°). При проектировании телевизионных объективов, предназначенных для работы с передающими трубками и матрицами (маркируются символом "Т"), учитывают наличие в оптическом звене плоскопараллельной стеклянной пластинки - планшайбы передающей трубки или матрицы. В ТВС со стандартными параметрами разложения (625/50/2:

1) применяют объективы с разрешением 55 лин/мм и выше в центре поля изображения. В прикладных ТВС часто используют стандартные фотографические объективы.

Широкое распространение в ТВС получили объективы с переменным фокусным расстоянием - вариообъективы, позволяющие изменять масштаб изображения в процессе передачи. При конструировании вариообъ-ективов обеспечиваются высокая стабильность положения плоскости резкого изображения и постоянство относительного отверстия при изменении фокусного расстояния.

Светоделение

Оптические звенья преобразователей изображения и устройств воспроизведения ТВС включают элементы светоделения - разделения световых потоков на составляющие, обладающие заданными свойствами. Чаще всего это разделение светового потока на части, отличающиеся по спек-

Фтральному составу. В устройствах воспроизведения изображений часто используют оптические системы, осуществляющие обратную задачу - синтез единого изображения из нескольких исходных.

Цветное телевидение, кино и фотография базируются на трехкомпонентной теории цветового зрения, поэтому в преобразователях изображения возникает задача разделения светового потока на три составляющие, обладающие определенными спектральными характеристиками, с последующим формированием трех цветоделенных изображений. В светоделителях передающих телевизионных камер используют оптические схемы на дихроических зеркалах или призмах.

Дихроические зеркала представляют собой стеклянные пластины с нанесенными на них пленками различной толщины из материалов, обладающих разным коэффициентом преломления. Световой поток, отраженный от зеркала, представляет собой сумму потоков, отраженных от каждой границы этого зеркала, разделяющей среды с разными коэффициентами преломления. Для разных длин волн условия отражения различны. Путем подбора материала пленок и их толщины можно получить заданные спектральные характеристики отражения и пропускания. Изготовить дихроические зеркала, соответствующие расчетным спектральным характеристикам, не всегда удается. В этом случае для корректировки используют дополнительные поглощающие светофильтры с корректирующими спектральными характеристиками, которые устанавливают в каждом из трех каналов.

Одной из существенных характеристик, влияющих на качество формируемого цветного изображения, является точность оптического совмещения цветоделенных изображений с координатами телевизионных растров преобразователей изображения. Допустимая суммарная погрешность совмещения, вызванная неточностью оптического совмещения и рассогласованием трех телевизионных растров, как показывает анализ, не должна превышать (0,2...0,3) /5, где 5 - размер элемента разложения. Это обеспечивается с большим успехом в призматических светоделителях. Они имеют более жесткую конструкцию, меньшие потери света, возникающие на границе раздела воздух - стекло, допускают более точную оптическую юстировку устройства. Дихроические зеркальные слои наносят на стыки призменных компонентов, а корректирующие светофильтры - в плоскости выходных окон. Сложный ход лучей обеспечивает одновременную фокусировку цветоделенных изображений и малые габариты всего узла светоделения. Такие светоделители используют в устройствах с твердотельными преобразователями изображения, устанавливаемыми в плоскостях R, G, В путем приклеивания. Призматические светоделители допускают введение дополнительных изображений (оптической испытательной таблицы, различных подсветок и др.).

Расчет оптического звена ТВС должен быть строго согласован с ее характеристиками (по разрешающей способности, геометрическим искажениям, точности совмещения цветоделенных изображений, неравномерности освещенности по полю и др.). В процессе проектирования ТВС, основываясь на приведенных выше данных, производят выбор структуры и характеристик оптической системы, в том числе выбор объективов, устройства светоделения и других оптических элементов, сопрягают оптическую систему и преобразователь изображения по освещенности, полю зрения и другим характеристикам, производят оценку качества оптического изображения на входе преобразователя и его влияние на качество формируемого телевизионного изображения, рассчитывают системы автофокусировки и автоматической регулировки освещенности.

Похожие рефераты:

Особенности цоколевки электронно-оптических преобразователей, их селекция и контроль. Сборка узлов квантовых генераторов. Основные требования к оптической системе квантового генератора на твердом теле. Юстировка резонатора с вынесенными зеркалами.производ

Дефокусировка, продольное смещение плоскости изображения. Сферическая аберрация, ею обладают все линзы со сферическими поверхностями. Структура пучка лучей при наличии комы. Условия апланатизма и изопланатизма. Закон синусов Аббе (условие апланатизма).

Вычисление аберраций, определение точки референтного (идеального) изображения. Поперечные аберрации в сагиттальной и меридиональной плоскости. Зрачковые канонические координаты. Волновая аберрация, отклонение реального волнового фронта от идеального.

Регистрация микроскопических изображений в УФ лучах производится двумя способами. В плоскости формирования изображения в УФ лучах помещают флюоресцирующий экран, люминофор которого при поглощении УФ лучей испускает световые лучи видимого диапазона.

Оптических система. Оптические характеристики приборов и деталей: вершинные фокусные расстояния, фокусные расстояния, рабочие расстояния. Обработка деталей оптических приборов. Определение фотографической разрешающей силы. Окуляр-микрометр. Коллиматор.

Измерение оптических характеристик телескопических систем. Измерение увеличения телескопических систем. Измерение увеличения по линейному увеличению. Оценка качества изображения телескопических и микроскопических систем. Определение визуальной разрешающей

Особенности применения: автоколлимационной трубы, динаметров, прибора Юдина, апертометра Аббе. Широкоугольные коллиматоры. Параметры гониометра. Ошибки изготовления оптических деталей приборов и их влияние на отклонение параметров оптических систем.

Использование радиолокационных и оптических тепловых пеленгационных систем. Борьба за дальность обнаружения при разработке теплопеленгационных систем и их применение для обнаружения объектов по излучению выхлопных газов их двигателей и нагретых частей.

Основные контролируемые параметры электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Интегральная чувствительность (чувствительность с фильтром) фотокатода, коэффициент преобразования, предел разрешения, рабочее разрешение, электронно-оптическое увеличение.

Технологический процесс сборки объектива, механическая обработка. Сборка двухлинзовых крупногабаритных объективов. Контроль качества и юстировка объективов телескопических систем. Предел разрешения и качество изображения точечного источника света.

Параметры приборов ночного видения подлежащие контролю. Измерение увеличения прибора. Измерение угла поля зрения прибора. Измерение предела разрешения прибора. Измерениие рабочего разрешения прибора. Измерение диапазона диоптрийной наводки окуляра.

Проекционная литография. Перенос изображения с фотошаблона на полупроводниковую подложку с помощью оптических систем. Основная задача проекционной фотолитографии - обеспечение автоматического совмещения. Сравнение проекционной литографии с контактной.

Оптическая схема стереовидеокамеры, ее структура и компоненты, принцип действия и назначение. Параметры источника приемника излучения. Габаритный расчет оптической системы. Расчет коэффициента пропускания, отношения сигнал-шум. Описание конструкции.

Параллакс и его устранение. Продольный, поперечный, угловой параллакс. Параллактический угол. Юстировка оптических приборов. Сборка телескопических приборов. Диафрагмирование. Прицельные и измерительные приборы. Фокальная плоскость. Коллиматор.