Разработка телевизионной системы скрытого наблюдения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Выбор и технико-экономическое обоснование структурной схемы ТВ-датчика и его элементной базы
• 1.1 Схема расположения аппаратуры
• 1.2 Структурная схема
• 1.3 Выбор элементной базы телевизионного датчмка
• 1.3.1 Обзор существующих малогабаритных камер отечественного и зарубежногопроиводства
• 1.3.2 Выбор объектива передающей камеры
• 1.3.3 Выбор диода, излучающего в ИКдиапазоне
• 2. Расчет режима функционирования ТВ системы
• 2.1 Расчет энергетической и контрастной чувствительной ТВ системы
• 2.2 Влияние частотных свойств матрицы ПЗС на разрешающую способность камерыми
• 2.3 Энергетический расчет
• 3. Выбор и расчет оптической передающей системы ИК-подвески
• 4. Выбор и расчет электрической принципиальной схемы управления источником ИК- подсветки
• 4.1 Описание схемы
• 4.2 Обоснование выбора элементов электрической схемы
• 5. Краткое описание конструкции ИК-излучателя
• 6. Расчет надежности телевизионной камеры
• 7. Экономическая часть
• 7.1 Сравнение объекта разработки с аналогам
• 7.2 Определение товарного типа объекта разработки
• 7.3 Расчет конкуретной цепи прибора
• 7.4 Расчет себестоимости
• 7.5 Расчет рентабельности
• 8. Разработка тенологического процесса сборки ИК-осветителя
• 8.1 Требования к составу сборочной единицы
• 8.2 Требования к конструкции соединений, составных частей сборочной единицы
• 8.3 Требования к точности и методу сборки сборочной единицы
• 9. Вопросы безопасности жизнедеятельности и экологии
• 9.1 Условия работы
• 9.2 Анализ вредных факторов, воздействующих на оператора
• 9.3 Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность проведения конструкторскойразработки
• 9.4 Пожарная безопасность
• 9.5 Расчет необходимой освещенности
• Заключение
• Список литературы
• Введение

В последние годы наряду с ростом количества преступлений, наметилась тенденция к изменению качества, как самих преступлений, так и способов их пересечения.

Преступления стали более дерзкими, вырос процент вооруженных нападений и ограблений. В сложившихся условиях особенно остро стоит задача защиты различных объектов от нападений.

Оборудование банков, офисов, ювелирных магазинов, складов, частных домов и квартир телевизионными системами видеоконтроля, а тем более системами скрытого наблюдения, выводит систему охраны на принципиально более высокий уровень, значительно облегчает ее. Так же системы скрытого наблюдения позволяют заметить недобросовестное отношение к работе у служащих банка, продавцов магазина, грузчиков склада, либо неразумное и нежелательное поведение детей дома.

Телевизионные камеры являются важнейшими элементами систем наблюдения и служит для преобразования изображения контролируемого объекта (в видимом и невидимом ИК диапазоне) в электрический сигнал. В настоящее время существует большое количество типов и модификаций ТВ камер.

К числу наиболее распространенных относятся:

- камеры с телевизионной трубкой типа “видикон”

- камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС)

Наиболее распространены в последнее время ПЗС - камеры, обладающие весьма важными преимуществами - минимальными габаритами и большим сроком службы.

Основными характеристиками ТВ - камер являются:

- формат камеры (1/3; 1/2; 2/3; 1), определяющий размер ПЗС - матрицы-элемента, формирующего изображение;

- разрешающая способность (число различаемых телевизионных линий), определяющая способность камеры обеспечивать наблюдение за объектами с мелкими деталями;

- минимальная освещенность объекта, при которой сохраняется работоспособность камеры;

- диапазон допустимого изменения освещенности объекта;

- отношение сигнал/шум при нормальной освещенности;

- типы используемых объективов;

- параметры объектива (фокусное расстояние, относительное отверстие);

- способ монтажа камеры.

Принцип действия ТВ камер основан на преобразовании светового потока, отраженного от наблюдаемых объектов, на чувствительном элементе камеры. Световой поток, проходя через объектив (систему линз), обеспечивающий необходимую фокусировку, попадает на чувствительный элемент камеры. ПЗС - матрица преобразует световой поток в электрический сигнал.

ТВ камеры скрытого наблюдения могут быть установлены неподвижно, сектор обзора остается неизменным. Отдельно можно выделить миниатюрные цилиндрические камеры для скрытой установки в кирпичные и другие стены. Они имеют диаметр от 19 до 32 мм и длину от 53 до 65 мм (приложение 1).

Если требуется возможность просмотра различных участков контролируемого помещения, то используется ТВ камеры, установленные на специальном поворотном устройстве, которое позволяет дистанционно изменять положение телекамеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях и тем самым просматривать различные зоны объекта.

Стоимость камер зависит от характеристик и составляет от нескольких десятков долларов до десятков тысяч долларов.

Для работы ТВ камер в условиях низкой освещенности объектов, в том числе в полной темноте, используется специальная подсветка - инфракрасные излучатели. Ценность телевизионных датчиков скрытого наблюдения, снабженных ИК- подсветкой, состоит в том что они позволяют получать визуальную картину состояния охраняемого объекта круглосуточно: при естественном освещении - днем и с помощью ИК -подсветки ночью, при отсутствии каких-либо других источников электрического освещения, что делает нашу систему видеоконтроля очень сложно обнаруживаемой в темное время суток. Человек при этом выводиться из зоны наблюдения в безопасную зону, что создает ему все условия для спокойного, хладнокровного анализа получаемой информации и принятия решения.

Устройства ИК - подсветки характеризуются:

- мощностью излучения;

- длиной волны излучения;

- дальностью действия (зависящий от мощности и угла подсветки);

Задачей настоящего проекта является разработка телевизионной системы скрытого наблюдения, состоящей из ТВ камеры и источника ИК-подсветки, включающегося автоматически.

1. Выбор и технико-экономическое обоснование структурной схемы ТВ-датчика и его элементной базы

1.1 Схема расположения ТВ-датчика

По условию технического задания 2щ - угловое поле объектива должен быть порядка ?40о. То есть угол поля зрения объектива 2щ =40о. Расстояние наблюдения - до 10 м.

При таком поле зрения объектива и дальности наиболее удобно в помещении телевизионный датчик расположить в верхней части стены под самым потолком так, как это показано на рис.1:

(Рисунок 1)

Камеру при этом следует расположить под углом, равным щ. При таком расположении камеры максимально уменьшается площадь мертвой зоны, не охватываемой полем зрения объектива. Так же обзору не будет мешать стоящая в помещении мебель, офисное оборудование и т.д.

ИК - излучатель удобно замаскировать, например, под лампу освещения подвесного потолка (т.к конструкция излучателя довольно громоздка, она будет спрятана за навесным потолком) и спроецировать его излучение на конкретный объект (например входную дверь), который необходимо контролировать круглосуточно.

1.2 Структурная схема системы

В этом подразделе необходимо обосновать основные элементы системы ТВ - датчика, исходя из поставленных задач.

Итак, телевизионная система предназначена для скрытого визуального наблюдения в помещении. То есть, прежде всего необходима малогабаритная черно-белая телевизионная камера скрытого наблюдения.

Среди фотоэлектрических преобразователей, применяемых в телевизионной технике, основное место занимает передающие трубки, такие, как диссектор, суперортикон, видикон и их разновидности. Однако значительные размеры трубок не позволяют их использовать в камерах скрытого наблюдения. Поэтому в таких камерах используются матрицы ПЗС, так как отсутствие громоздких отключающих катушек, присущих ЭЛТ позволяет в значительной степени снизить размеры и массу камер. Кроме того заметно упрощается схема камер, а следовательно, снижается употребляемая от источника питания мощность.

Одновременно повышается чувствительность и отношение сигнал/шум.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой регулярную МДП или МОП - структуру, состоящую из отдельных близко расположенных ячеек. Каждая ячейка образует накопительный конденсатор, одной из обкладок которого служит металлическая пленка, а второй обкладкой является подложка из полупроводника с р или n - типом проводимости. В качестве подложки используется кремний.

Работа ПЗС основывается на двух принципах: накоплении и хранении, зарядов в потенциальных ямах и переносе этих зарядов в выходное устройство с образованием видеосигнала. Потенциальная яма - это обедненная для основных носителей область в полупроводниковой подложке под металлическим электродом, которая образуется путем подачи на него напряжения соответствующей полярности. Заполнение потенциальных ям неосновными носителями зарядов происходит под воздействием лучистого потока, падающего на кремниевую подложку.

Кроме ПЗС - матрицы в состав камеры входят: блок управления матрицей, который с помощью устройства формирования управляющих напряжени, руководит тремя секциями матрицы; генератор синхронизирующих и управляющих импульсов, который формирует импульсные последовательности управления и специальные импульсы для системы обработки видеосигнала, а также замес гасящих и синхронизирующих импульсов. С выхода ВУ сжимается видеосигнал.

Выше сказанным, мы описали необходимую камеру; вернемся теперь к исходным данным: освещение наблюдаемого участка - естественное в дневное время и с помощью ИК - подсветки в темное время суток. А следовательно, необходим инфракрасный излучающий диод и оптическая передающая схема, направляющая поток излучения.

Переход от одного вида освещения к другому должен осуществляться автоматически, поэтому необходима схема управления источником инфракрасной подсветки. Наиболее удобно использовать в этих целях компаратор, который сравнивает выходное напряжение Uвых, поступающее из камеры после детектирования видеосигнала с некоторым пороговым напряжением Uпор.

При падении освещенности объекта с наступлением сумерек (или выключении электрического освещения помещения ниже минимального порогового уровня), при котором еще возможно нормальное функционирование камеры, падает соответственно и выходное напряжение. При Uвых < Uпор. Будет включен ИК - диод.

Видеосигнал с ТВ камеры должен поступать на ВКУ и ВМ одновременно, поэтому необходим видеоусилитель - распределитель, как минимум на 2 выхода.

Питание телевизионного датчика - автономное, поэтому в схеме должен присутствовать блок питания.

С учетом изложенного, структурная схема принимает вид, изображенный на рис.2.

1.3 Выбор элементной базы телевизионного датчика

1.3.1 Обзор существующих малогабаритных камер отечественного и зарубежного производства

Примером является отечественная и зарубежная промышленность, серийно выпускающая различные модели черно-белых телевизионных камер, предназначенных для скрытого наблюдения в черно-белом представлении различных объектов.

Отечественная телекамера КТП-79, в которой используется матрица ФПЗС-ЗМ с числом элементов 288*256. Разложение изображения на 288 строк обеспечивает возможность приема телевизионного сигнала на стандартном видеоконтрольном устройстве. Разрешающая способность по горизонтали и вертикали 150 ТВЛ. Число градаций яркости -6, масса камеры - 0,9 кг (смотри таблицу 1).

Камера КТП-108 выполнена на базе ФПЗС с числом элементов 576*442 и предназначена для системы технического зрения, для анализа и контроля движущихся объектов при постоянном и импульсном освещении. Камера создана на микросхеме К 1200 ЦМ 15. Разложение изображения - стандартное, чересстрочное на 625 строк при 25 кадрах в секунду. Разрешающая способность - 300 ТВЛ.

Импортные аналоги, такие как, Panasonic, Sony, Samsung, Mintron, LG, обладают более высокой разрешающей способностью, энергетической чувствительностью, возможностью работать в широком диапазоне освещенностей, удобством монтажа и эксплуатации и имеют гораздо меньшие габариты по сравнению с рассмотренными выше отечественными разработками.

Камеры MTV - 271 см Minston (черно-белая с объективом) предназначена для воспроизведения изображения подвижных и неподвижных объектов на экране телевизионного приемника или видеоканального устройства. Камера может быть использована для скрытого визуального наблюдения за помещениями. Питание камеры осуществляется от сети постоянного тока напряжением 12 В.

Минимальная освещенность 0,1 Лк, разрешающая способность 420 ТВЛ. Габаритные размеры 32*32*20 мм.

Камера MS-168-EN (EIA) MS-168 EP (CCIR) Mintron - черно-белая с объективом в корпусе. Выполнена на базе ПЗС матрицы форматом “1/3”. Предназначена для систем охранного наблюдения от 0,05 Лк, габаритные размеры 51*51*110 мм (см. таблицу 1).

Камера СТС -231R P/H 1/3 LG CCD. Это черно - белая цилиндрическая камера предназначена для скрытого визуального наблюдения. Удобно монтируется во внутрь стен, чем значительно повышает свою скрытность. Выполнена на базе матрицы 1/3 с количеством элементов 582*512. Разрешающая способность 380 ТВЛ, освещение от 0,1 Лк, габариты 23*48*37 мм (см. таблицу 1).

Тип камеры	Питание В	Разрешающая способность ТВЛ	Рабочее освещение ЛК	Тип ФПЗС	Число элементов матрицы (верт*гор)	Устанавливаемые объективы	Габариты камеры мм	Вес кг	Стоимость $
КТП - 79	12	150	От 50 на объекте	ФПЗСЗМ	288*256	-	400*200*170	0,9
КТП - 108	12	300	От 50 на объекте	К1200ЦМ15	576*442	-	250*150*120	0,5
MintronMS 168 EN (EIA) IMS 168 EP (CCIM)	12	410	От 0,05 на выходе	1/3”	-	-	51*51*110	0,07	85
Mintron MTV - 271	12	420	-	1/3”	-	-	32*32*20	0,04
SONY CTC -200R CCD	8-14	380	От 0,4 на входе	1/3”Sony	597*537	Board*:f=2.9;3.65;4.4;8; 12мм. Pinhole**: f=2.8;3.7;5.5 мм	52*20	0,05	95
LG CTC -231R P/H	12	380	-	1/3”Samsung	582*512	Board*:f=2.9;3.65;4.4;8; 12мм. Pinhole: f=2.8;3.7;5.5 мм	37*23	0,05	105
SONY KM-387 1/3”	11-13	570	От 0,1 на входе	1/3” Sony	596*795	Board*:f=2.9;3.65;4.4;8; 12мм. Pinhole:f=2.8;3.7;5.5 мм	40*40*27	0,06	145

Таблица 1.

Примечание : *Board - выносные, внешние объективы, выходящие за габариты камер.

** Pinhole - внутренние, ввинчиваемые в специальное гнездо камеры объективы, не выходящие за ее габариты

Анализ отечественных телевизионных камер показывает, что они не обеспечивают хорошего разрешения, нормальной работы при малом освещении; так же они слишком тяжелы и громоздки.

Исключением являются разработки С-Петербургского конструкторского бюро “Юпитер”. Скрытые камеры и ТВ - системы скрытого наблюдения (типа JT, KPC, UV) разработанные этим КБ не уступает зарубежным аналогам.

Выбирая из зарубежных разработок и камер фирмы “Юпитер”, исходя из заданных параметров работы и соотношения цена-качество, рационально остановиться на цилиндрической телевизионной камере СТС - 231R P/H 1/3”, производства фирмы “LG”. Её основное преимущество состоит в том, что эту миниатюрную цилиндрическую камеру удобно вмонтировать в кирпичную или любую другую стену. При этом обнаружить такую камеру, тщательно закамуфлированную под обоями или другими отделочными материалами становиться очень сложно, что является необходимым условием при скрытом наблюдении.

Внешний вид камеры показан на рис.3, а ее параметры в приложении 2.

(Рисунок 3)

1.3.2 Выбор объектива передающей камеры

Выбор объектива произведем на основе его габаритного расчета.

В выбранной камере используется 1/3” дюймовая матрица SAMSUNG.

Размер светочувствительной площадки этой матрицы 3,6*4,9 мм.

Диагональ соответственно равна:

Диагональ светочувствительной площадки равна диаметру полевой диафрагмы объектива D.п.д. (смотри рис. 4 а,б).

(Рисунок 4а)

(Рисунок 4б)

Фокусное расстояние объектива (Рис. 4б) равно:

,

где щ - угловое поле зрения.

Согласно ТЗ щ=20o, тогда

,

С подобным фокусом - 8 мм на камеру становится только объектив BOARD, то есть выходящий за габариты камеры. В целях повышения скрытности камеры целесообразно установить внутренний PIN -hole объектив с фокусом 5,5 мм, которым может комплектоваться камера LG.

Угол зрения щ при этом ( ) возрастает до 29o.

Так же возможно установить объектив ivi-73, разработанный КБ “Юпитер”, что несколько повышает себестоимость продукта.

Основные преимущества объективов серии ivi перед стандартными PIN-HOLами показаны в таблице 2.

Таблица 2

Объектив Ivi	Стандартный PIN-HOLE
Коническая форма объектива. Минимальный диаметр первой поверхности объектива 1,2 мм.	Плоская форма объектива или усеченный конус. Минимальный диаметр первой поверхности объектива 5 мм.
Позволяет устанавливать камеру с углом наклона до 30 градусов и обработкой камуфляжа обычным сверлом.
Вынос входного зрачка от 0,3 до 6,5 мм	Входной зрачок фактически совпадает с первой поверхностью объектива
Позволяет устанавливать камеру со входным отверстием в камуфляже от 0,6 мм, при использовании объективов серии ivi.
Все линзы изготовлены из оптического стекла с многослойным просветлением.	Фронтальные линзы изготовлены из полимерных материалов.
Повышенная стойкость к царапинам, воздействию агрессивных сред и большая физическая светосила позволяет с успехом использовать камеры с IVI - объективами при низкой освещенности и малом диаметре отверстий.

Нашим условиям удовлетворяет объектив ivi-73, его фокус f=5.5 мм, вынос зрачка 2,5 мм, диаметр зрачка 0,5 1,2 мм. Стоимость 64$.

Таким образом возможно устанавливать 2 различных объектива, в зависимости от условий эксплуатации, желаний и возможностей заказчика. Мы остановимся на втором варианте.

1.3.3 Выбор ПиД, излучающего в ИК диапазоне

Телевизионная система по необходимым условиям работы должна функционировать круглосуточно. В темное время суток, при недостаточной освещенности используется ИК подсветка.

После проведенного обзора [3], полученные данные сведены в таблице 3.

Параметры излучающих в ИК-диапазоне диодов

Тип прибора	Значения параметров при Т=250	Iпр.max мA	Uобр.max В	Тк.max (Тn) 0C
	Pизл мВт	Uпр В	Iпр.ном mA	tнар.изл нс	tсп.изл нс	Lmax мкм
АЛ106Д	1,5	1,7	100	10	20	0,92… 0,935	120		85
ФЛ107Д	10	2	100			0,9…1,2	100	6	85
3Л107Б	10	2	100			0,9…1,2	100	6	85
АЛ108А	1,5	1,35	100	2400	2000	0,94	110	2	85
АЛ108АМ	2	1,6	100	2400	2000	0,94	110	2	85
3Л108А	1,5	1,35	100	2400	2000	0,94	110	2	85
3Л108АМ	2	1,6	100	2400	2000	0,94	110	2	85
АЛ115А	10	2	50	1000	600	0,9…1	50	4	85
3Л115А	10	2	50	1000	600	0,9…1	50	4	85
АЛ119А	40	3	300	1000	1500	0,93..0,96	300		85
АЛ119Б	40	3	300	350	1500	0,93..0,96	300		85
3Л119А	40	3	300	1000	1500	0,93..0,96	300		85
3Л119Б	40	3	300	350	1500	0,93..0,96	300		85
АЛ123А	500	2	300	350	500	0,94	400	2	85
3Л123А	500	2	300	350	500	0,94	400	2	85
АЛ124А	4	2	100	20	20	0,86	110	2	85
3Л124А	4	2	100	20	20	0,86	110	2	85
АЛС126А-5	1400	28	6000			0,8… 0,81	2500	60	85
3Л129А	1,3	2	50	10	10	0,87	100	1	85
3Л130А	350	3	3000	1500	1500	0,95	3000	1	85

Pизл - мощность излучения ИК светодиода;

Uпр - прямое падение напряжения на светодиоде при токе Iпр.норм;

Iпр.ном - номинальный прямой ток светодиода;

tнар.изл. - время нарастания импульса излучения светодиода;

tсп.изл - время спада излучения светодиода;

lmax - максимум спектрального распределения светодиода;

Iпр.max - максимально-допустимый ток через светодиод;

Uобр.max - максимально-допустимое напряжение светодиода;

Tк.макс - максимально-допустимая температура корпуса светодиода;

Тп.макс - максимально-допустимая температура перехода светодиода.

Анализируя технические характеристики различных ИК-диодов, можно выделить наиболее мощные типа АЛ 123А, 3Л123 (Ризл=500 мВт);

АЛС 126А-5(Ризл=1400 мВт). Однако мощность этих диодов импульсная:

АЛ 123А: при Iпр.и=1А, фн=20 мкс Q=3 P=80 мВт

при Iпр.и=1А, фн=20 мкс Q=250 P=500 мВт

АЛС 126А-5 используется совместно со схемой усилителя мощности в виде решетки диодов в качестве источников оптической накачки твердотельных лазеров.[8]

Поэтому для проектируемой системы больше всего подходит ИК - диод 3Л 130А. Этот мощный, непрерывного излучения диод, показан на рис.5:

(Рисунок 5)

Сделан на основе твердого раствора галлий-кремний-мышьяк. Выпускается в металлокерамическом корпусе. Масса не более 3г. При работе в номинальном режиме необходимо крепление прибора на медный теплоотвод с площадью не менее 100 см2.

Однако, обращая внимание на современные отечественные разработки, целесообразнее использовать ИК - диод ИРС-3, разработанный

С-Петербургским НТЦ “Ирсэт-центр”. Этот диод имеет меньшие габариты при той же мощности [Приложение 3].

2. Расчет режима функционирования ТВ системы

Целью данного расчета является:

а) Определение необходимой энергетической (световой) и контрастной чувствительности системы, разрешающей способности при естественном освещении и при ИК подсветке;

б) Определение требуемой минимальной освещенности помещения;

в) Определение требуемого минимального контраста объектов с окружающим фоном.

• 2.1 Расчет энергетической и контрастной чувствительной ТВ cистемы

Задачей расчета является определение минимального необходимого и максимального допустимого для данного фотопреобразователя значения освещенности на его входе.

Минимальная и максимальная освещенности относятся к изображению объекта, если яркость объекта больше яркости фона, или к изображению фона, если имеет место обратная зависимость.

Зная освещенность, легко можно насчитать контрастную и световую чувствительность системы.

Для расчета имеются следующие данные:

Минимальное отношение сигнал/шум на выходе

ПЗС - матрицы Samsung - ш 5

Видеовыход 1В

Вольтовая чувствительность матрицы 100мВ/лк

Максимальное напряжение выходного сигнала 200мВ

Рассчитаем уровень собственных шумов матрицы:

Напряжение шума матрицы [1]:

, (2.1.1)

Где

- фотонный шум;

- шум темнового тока, являющегося результатом термической генерации носителей заряда, заполняющих обедненную область;

- шум переноса зарядов;

- тепловой шум входной цепи.

Природу фотонного шума составляют флуктуации квантов в световом потоке, облучающем фоточувствительную поверхность:

,(2.1.2)

где NH- среднее квадратичное значение числа фотоэлектронов, накопленных на элементе за полное время накопления фК (время кадра).

и -квантовый выход;

N0- число квантов с длинами волн в пределах спектральной чувствительности ПЗС, упавших на единицу фоточувствительной площадки за 1 секунду, зависит от освещенности, поэтому берем приближенное значение SЭ- площадь элемента.

Для матриц такого класса SЭ N0 TK =3*105 квант; и=0,33Э/квант; NH=105 эл.

Тогда:

Уровень дробового шума темнового тока можно определить по формуле:

,(2.1.3)

где IT -теневой ток,

f0- тактовая частота.

IT =4 нА; f0 =6,1*106 Гц; l=1,6*10-19. Тогда:

Источниками шумов переноса являются флуктуации зарядов, захватываемых ловушками.

Уровень шумов переноса определяется, как:

(2.1.4)

где n- число p-фазных переносов зарядного пакета.

Зная число элементов матрицы (582*512), получим n=1094.

Шум переноса:

Тепловой шум входной цепи предварительного усилителя зависит от ее емкости, являющейся одновременно выходной емкостью ПЗС Свых:

(2.1.5)

где k0 - постоянная Больцмана k0 =1,38*10-23Дж,

T- абсолютная температура Т=300К,

Свых - выходная емкость ПЗС Свых =0,1 пФ.

Тогда:

Посчитав все составляющие шума матрицы, можно получить общий шум:

Кроме шума матрицы, шум на выходе составляет еще шумы усилителя:

, (2.1.6)

где Rш - шумовое сопротивление полевого транзистора Rш =2,8 кОм;

fв - верхняя граница спектра видеосигнала fв =3 мГц.

Тогда

Определим теперь среднеквадратичное значение напряжения шума на выходе камеры:

(2.1.7)

Зная значение отношения сигнал/шум и шум на выходе, можно определить напряжение минимального сигнала:

(2.1.8)

При вольтовой чувствительности матрицы Sи=100 мВ/лк, минимальная освещенность на входе фотопреобразователя:

(2.1.9)

Принимая минимальную освещенность к объекту найдем освещенность фона, зададим контраст изображения на входе kвх=0,20 (20% стандартный контраст сигналов на входе камеры).

(2.1.10)

где - минимальная освещенность от фона

- минимальная освещенность фотопреобразователя от объекта.

Зная kвх и , можно найти =0,1 лК.

Таким образом, контрастная и световая чувствительности системы:

(2.1.11)

(2.1.12)

Максимальное напряжение входного сигнала матрицы составляет Umax=200 мВ, следовательно, при выходном сигнале камеры 1В, коэффициент усиления видеоусилителя составит k0=5.

Минимальное выходное напряжение при минимальной освещенности UС=8 мВ, следовательно, динамический диапазон D составляет 25.

Максимальное значение освещенности на входе будет равно:

(2.1.13)

Расчет был произведен для отношения сигнал/шум ш=5, это пороговое значение для мелких деталей, рассмотрим влияние частотных свойств матрицы на разрешающую способность камеры.

2.2 Влияние частотных свойств матрицы ПЗС на разрешающую способность камеры

Для объективной оценки разрешающей способности камеры используется ее частотно-контрастная характеристика, которая определяется внешним ПЗС - матрицы.

ЧКХ ПЗС зависит, главным образом, от трех факторов: размера и шага светочувствительных элементов, эффективности переносов носителей зарядов и диффузии носителей зарядов в подложку.

Предельная ЧКХ матрицы, обусловленная первым фактором, имеет вид:

где, UЭ- размер элемента матрицы в продольном направлении

aЭ=9,8 мкм [см. приложение 2],

m- пространственная частота,

b-коэффициент, учитывающий фазовый сдвиг b=1,5,

p- шаг светочувствительного элемента, для матрицы с кадровым переносом aЭ=p,

mЭ - число светочувствительных элементов в строке mЭ=512.

Кривая kr изображена на рисунке 6.

4КХ, учитывающая эффективность переносов, определяется:

, (2.2.2)

где е - неэффективность одного переноса,

n - число трехфазных переносов

4КХ указывающая диффузию носителей заряда в подложку зависит от длины волны, и будет учитываться при переходе от естественного освещения к ИК - подсветке, при длине волны л=0,86 мкм.

, (2.2.3)

где б - коэффициент поглощения подложки, зависящей от л,

d - глубина области пространственного заряда,

L - диффузная длина носителей в подложке.

В этой работе кривая Kд пересчитана для m из [1].

Все кривые ЧКХ указаны на рисунке 6.

Результирующая ЧКХ будет определяться:

1. Днем

2. В темное время суток при ИК-подсветке



(Рисунок 6)

Разрешающая способность камеры определяется по её ЧКХ и уровню отсчета ?.

? находится из отношения

где шпор- минимальное отношение сигнал/шум на выходе ПЗС матрицы (для мелких деталей). шпор=5,

шmax- максимальное отношение сигнал/шум где шmax=50.

В дневное время камера имеет разрешающую способность 360 ТВЛ.

В ночное время при ИК - подсветке разрешающая способность падает до 300 ТВЛ, что удовлетворяет техническому заданию.

2.3 Энергетический расчет

В этой части расчета по определенным ранее входному контрасту kвх и минимальной освещенности фотопреобразователя Eф от наиболее светлых участков наблюдаемого пространства предъявляются требования к необходимому и достаточному контрасту самого объекта kоб и его освещенности E.

В случае, когда телевизионная камера скрытого наблюдения находится в помещении, на небольшом расстоянии от объекта и атмосфера не ухудшает контраст передаваемого изображения, будем считать:

Определим требуемый коэффициент отражения для объектов:

, (2.3.1)

где сф- коэффициент отражения фона,

где соб- коэффициент отражения объекта.

Принимая значение где сф=0,4 (светлые обои или гипрок - традиционная отделка офисов) получим, что соб0,32, что соответствует большинству существующих материалов, то есть объект на общем фоне офиса будет хорошо различаем.

Посчитаем минимально возможную освещенность объекта:

, (2.3.2)

где Eф- освещенность фона на входе,

V-увеличение; 1+V=1 (Объект в бесконечности),

ф- интегральное значение коэффициента пропускания атмосферы; Для помещения ф=1,

ф0 - интегральное значение пропускания оптической системы при в=0;

ф0 =0,9,

kв - коэффициент виньетирования оптической системы kв =1,

в - угол зрения объектива, в=29о (подраздел 1.3.2)

Д/f - относительное отверстие объектива:

(смотри приложение 1)

Пересчитаем сначала освещенность из световой величины в энергетическую:

(2.3.3)

где Ее- энергетическая облученность,

Еv- освещенность

- коэффициент полезного действия глаза для эталонного источника. =2,43*10-2

и - коэффициенты использования приемником лучистого потока светодиода и эталонного источника соответственно.

, (2.3.4)

Где - спектральная плотность излучения светодиода;

- относительная спектральная характеристика чувствительности ПЗС матрицы.

Коэффициенты использования и излучения паспортного источника излучения и светодиода равны [2]:

(2.3.5)

где ф(л)=1, - функция Планка

(2.3.6)

Исходя из подсчитанного, находим энергетическую освещенность фона на входе системы:

Теперь возможно посчитать облученность объекта (минимальную):

В следующем разделе необходимо рассчитать источник инфракрасного излучения, обеспечивающий облученность объекта не менее Еmin, при заданных условиях.

3. Выбор и расчет оптической передающей системы ИК - подсветки

При работе камеры с ИК - подсветкой, необходимо в плоскости объекта наблюдения иметь минимальную облученность не ниже рассчитанной в предыдущей главе.

Для увеличения потока излучения, направляемого от ИК - диода на освещаемый объект, в передающей системе необходимо использовать специальной оптический элемент - конденсор. Если сопоставить две оптические осветительные системы - без конденсора (рис. 7а) и с конденсором (рис. 7б), то можно показать, что выигрыш в облученности Е в плоскости объекта в схеме с конденсором составит фК АК/ АU раз, где фК-коэффициент пропускания конденсора; АК - площадь конденсора; АU - проекция излучающей площадки на плоскость, перпендикулярную оптической оси [3].

(Рисунок 7а)

(Рисунок 7б)

Действительно, для схемы без конденсора облученность:

,(3.1)

где фС - коэффициент пропускания среды на пути от источника U до плоскости О,

Le- яркость излучения источника (принимаем, что расстояние l значительно больше размера источника dU).

Для схемы с конденсором, при l?a: Облученность в плоскости объекта О:

(3.2)

Из сопоставления (3.1) и (3.2) следует, что для увеличения E0 целесообразно в допустимых пределах увеличивать площадь выходного зрачка конденсора [3].

Зная необходимую облученность в плоскости объекта, характеристики диода и расстояние, посчитаем площадь и диаметр необходимого конденсора.

Яркость источника Le определяется по формуле:

,(3.3)

где М - энергетическая светимость,

и - угол излучения источника.

Посчитаем светимость источника. В подразделе “Выбор ИК - диода” был выбран сверхмощный излучательный диод ИРС-3-870 М. Его мощность излучения Р=350 мВ, угол излучения и=400, диаметр излучающей площадки Д=20 мм.

Отсюда площадь излучения равна:

(3.4)

Энергетическую светимость в данном случае можно посчитать как:

(3.5)

Поэтому, яркость диода, расположенного перпендикулярно оптической оси схемы, согласно формуле (3.3) равна:

Расстояние l от источника до объекта составляет l=10м. Минимальная облученность в плоскости объекта должна быть Eo=0,081 Вт/м2, возьмем для расчета площади конденсора облученность с 20% запасом Eo=0,1 Вт/м2.

Коэффициент пропускания конденсора фК=0,9.

Тогда из формулы (3.2) площадь конденсора АК будет равна:

Следовательно, диаметр:

(3.7)

Отрезок а, на который необходимо установить светодиод для идеальной оптической системы следуют рассчитать так, чтобы весь поток излучения попал в световой диаметр линз конденсора:

 (3.8)

Тогда линейное увеличение равно [4]

(3.9)

Определим остальные основные оптические отрезки идеальной оптической системы (рис.8):

(Рисунок 8)

Примем для расчета - =95 мм , тогда

, следовательно

Пересчитаем теперь эти величины на реальный конденсор.

Конденсор должен иметь угол охвата не менее 40о (угол излучения диода 2бр=40о) и большое [4,56] увеличение. С такими критериями можно использовать либо двухлинзовый конденсор с плосковыпуклыми линзами, либо конденсор из аплонатического мениска и двояковыпуклой линзы [3]. Рис.9 а,б.

а)

б)

(Рисунки 9 а,б)

Однако, мениск гораздо более сложен в изготовлении и немного дороже обычного конденсора. Это оправдывается при углах охвата 2уохв=60о и при минимилизации аббераций. В рассмотренном случае для снижения стоимости и упрощения конструкции вполне достаточно воспользоваться первым вариантом. Вторая схема предназначена для эпископических проекционных систем.

Оптическая сила системы двух плосковыпуклых линз равна:

(3.10)

где ц1- оптическая сила первой линзы,

ц1- оптическая сила второй линзы

d - расстояние между линзами, для расчета примем d=0

,

Тогда фокусное расстояние одной линзы равно:

Рассчитаем радиус кривизны линз [4]:

(3.11)

где n - коэффициент преломления линзы,

r1- первая поверхность r1= ,

r2- вторая поверхность радиус;

Для изготовления линз воспользуемся оптическим стеклом К8. При длине волны л=1,50918. тогда из (3.11)

Задав эти расчетные параметры в систему “Opal” получим реальный двухлинзовый конденсор со следующими данными и стандартными радиусами стекол по ГОСТУ 1807-75:

Радиус (мм)	Толщины (мм)	Марка стекла	Показатель преломления
	10,5	К8	1,509184
-96,38	0,1		1
96,38	10,5	К8	1,509184

Параксиальные характеристики (рис.10)

S=-88,56 мм	y =-10	у =-0,1
f'=94,67 мм	SF = -87,66	SF' =87,66
SH =7,007	SH' =-7,007	L=10057 мм
S =-88,56	S' =10036,06	В0 =-105,1

(Рисунок 10)

Реальный диаметр светового пучка в этой системе можно пересчитать исходя из расстояния от диода до первой поверхности линзы; S =-88,56 мм.

Тогда:

В таком случае:

Пересчитаем теперь облученность для крайних точек освещаемой площади. Диаметр ручка облучения при =10м и увеличении в=105,1 будет равен:

Угол излучения конденсора б будет равен (рис.11):

(3.13)

(Рисунок 11)

Максимальное расстояние в крайних точках освещаемой площадки:

(3.14)

Тогда посчитаем облученность в крайних точках освещаемой площадки согласно формуле (3.2):

Эта облученность больше минимальной, необходимой для разрешения предметов камерой, из чего можно сделать вывод о том, что система будет работать с ИК - подсветкой, при заданных условиях.

4. Выбор и расчет электрической принципиальной схемы управления источником ИК - подсветки

Управление ИК - подсветкой происходит следующим образом: при падении освещенности объекта с наступлением сумерек (выключение электрического освещения), ниже минимального порогового уровня, при котором еще возможно нормальное функционирование камеры, падает соответственно и выходное напряжение. Аналоговый компаратор сравнивает выходное напряжение Uвых с дублирующего светоприемника с ИК - фильтром с некоторым пороговым напряжением Uпор. При Uвых < Uпор включится ИК-диод. Рассмотрим подробно электрическую принципиальную схему управления источником ИК подсветки.

4.1 Описание схемы

Напряжение UC c приемника, имеющего ИК - фильтр поступает на вход амплитудного диодного детектора [15], который служит для выделения информативного сигнала. В данной схеме используется диодный детектор с параллельным включением диода (VD1). Он является демодулятором с закрытым входом, то есть не пропускает постоянную составляющую [1].

Далее сигнал проходит через выпрямительный диод (VD2), то есть преобразуется в сигнал с постоянным напряжением.

На выходе детектора включен RC фильтр (R2, C2) c полосой пропускания 2щ, где щ частота составляющей, пропускаемой детектором.

Выпрямленный сигнал поступает на инвертирующей вход (вывод 1) операционного усилителя (ОУ) DA1, выполняющего функцию компаратора [Приложение 4].

При этом резисторами R3 и R4 устанавливают на неинвертирующем входе (вывод 2) ОУ пороговое напряжение очень мало по сравнению с напряжением, идущим с блока питания (9В), устанавливается резистор R3 с очень большим сопротивлением. Рисунок 12.

(Рисунок 12)

4.2 Обоснование выбора элементов электрической схемы

Оба диода в схеме - одинаковы -КD -521 с характеристиками:

-постоянный или средний прямой ток I…50мА

-импульсное обратное напряжение Uобр.и…15В

-время обратного восстановления tобр.в…4нс

Выберем R1 (сопротивление схемы детектора) равным 10 Ом.

Емкость С1 определим из соотношения:

(4.2.1)

Где I-ток, протекающий через конденсатор I=50*10-3А,

t - время прохождения импульса t=1нс,

?U - изменение напряжения на конденсаторе ?U=1мВ

Рассчитаем параметры RC-фильтра:

По закону Кирхгофа имеем:

, (4.2.2)

Где IR2 - ток, протекающий через резистор R2,

IC1 - ток, протекающий через конденсатор С1,

IС1 =40*10-2=4 мА,

IVD1 -ток, протекающий через диод VD1

IVD1 =50 мА

По закону Ома:

(4.2.3)

где R2 - сопротивление резистора R2

Для нормального функционирования RC-фильтра целесообразно выбрать С2 =10 нФ

Рассчитаем сопротивление R3 , R4 :

(К 140 УД6) [9] Тогда

Тогда

Следовательно

ИК - диод ИРС - 3-870М обладает следующими характеристиками [приложение 3]:

- постоянный прямой ток 9 МА

- постоянный прямой ток 9 В

-время нарастания импульса излучения 80 мС

5. Краткое описание конструкции ИК - излучателя

ИК- диод ИРС - 3 -870М поз.1 крепится в патроне 2 - основном конструктивном элементе излучателя и закрывается задней крышкой 11.

Для того, чтобы не произошло разъюстирования диод фиксируется стопорным винтом 3.

С другой стороны в патрон 2 вставляется двухлинзовый конденсор, состоящий из линз 6 и 9, промежуточного кольца 8 и оправы 7. Линзы в оправе закреплены завальцовкой.

Конденсор в оправе вкручивается по мелкой резьбе и так же фиксируется стопорным винтом поз.10.

Шарнирное крепление 11 ИК излучателя предусматривает возможность крепления излучателя в различных положениях.

6. Расчет надежности телевизионной камеры

Таблица 4

Наименование элемента	Колво, ni	Средний по группе коэффициент нагрузки	Интенсивность отказов i -элемента лi=10-5 час-1	Интенсивность отказов группы эл-ов ni лi10-5
Резисторы	8	0.2	0.15	0.24
Конденсаторы	5	0.5	0.066	0.165
Транзисторы	2	0.8	0.03	0.048
Микросхемы	3	0.5	0.02	0.03
Диоды	1	0.4	0.07	0.028
Блок питания	1	0.7	1.0	0.7
Оптика	2	0.5	0.01	0.01
Видеоусилитель	2	0.5	0.02	0.02
Итого:	1.241

Интенсивность отказов телевизионной камеры составляет:лС=1,241*10-5 час-1

Средний срок службы прибора:

Рассчитаем вероятность безотказной работы в течении 3000 часов:

Р(3000)=exp(-лC*3000)=exp(-1,241*10-5*3000)=0,96

Таким образом, вероятность безотказной работы телевизионной камеры в течении заданного времени очень высока.

7. Экономическая часть

7.1 Сравнение объекта разработки с аналогом

Аналогом разрабатываемого ИК - осветителя является инфракрасный прожектор ИКП - 10/20 - производство Россия. Он используется для ИК -подсветки телевизионных систем в темное время суток. Стоимость данного прожектора составит 70 у.е, то есть 2040 рублей.

Технические характеристики прожектора:

- рабочая дальность до 10м

- угол излучения 200

- электропитание 11-14 V

- потребляемая мощность 14,4 W

- длина волны 870 нм

- температурный режим -300 С+400 С

- срок работы не менее 20000 час

- габаритные размеры 100-70-40

Разработанный ИК - осветитель имеет меньшие габариты, наиболее простую конструкцию и в некоторых критериях превосходит технические характеристики аналога.

7.2 Определение товарного типа объекта разработки

Товарный тип объекта разработки устанавливается путем анализа рыночной цели его создания. С этой точки зрения выбираем тип 1: разработки, выполняемые с коммерческой целью, предназначенные для прямой реализации, имеющие рыночный аналог.

Отнесение объекта разработки к определенному товарному типу служит основанием для определения состава расчетов в экономической части дипломного проекта.

7.3 Расчет конкурентной цены прибора

Цена нового изделия определяется:

(7.4.1)

Где ЦА- цена аналога ЦА=2040 рублей.

А,В,…,Q - оценки значимости технико -эксплутационных характеристик (параметров конкурентоспособности); А+В+…+Q=1

а,в,…,q - численные значения технико-эксплутационных характеристик объекта разработки и аналога (смотри таблицу).

n - параметр нелинейности измерения цены (усиления конкурентоспособности) n=0,4-0,7

Отношение AH/ AA…, если повышение технико-эксплутационных характеристик заключается в смещении их численного значения (например уменьшение массы).

А=В=…Q=0,25

Таблица 7Сравнение параметров аналога и нового изделия

Наименование показателя	Аналог	Прибор	Результат сравнения
Рабочая дальность	До 10 м	До 11 м	1,1
Полный угол излучения	200	120	0,6
Диагональ излучающей площадки	122 мм	70 мм	1,74
Время наработки на отказ	20000	25000	1,25

ЦН=2040*(0,25(1,1+0,6+1,74+1,25))0,4=2175 руб

7.4 Расчёт себестоимости

В себестоимость входят следующие калькуляционные статьи затрат:

Зсм - затраты на сырьё и материалы за вычетом возвратных отходов;

Зпп - затраты на покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты;

Зтэ - затраты на топливо и энергию на технические цели;

Зоп - основная зараобтная плата производственных рабочих;

Здп - дополнительная заработная плата производственных рабочих;

Зсэ - сатраты на содержание и эксплуатацию оборудования;

Зоц - общецеховые расходы;

Зпр - общепроизводственные расходы;

Звп - внепроизводственные расходы

Зсм = (7.4.1)

Где Hmi - норма расхода, кг.

Цi - цена за 1кг материала, руб.

Рoi - реализация отходов материала:

Poi = Вмзi - Вмдi (7.4.2)

Где Вмз - масса заготовки, кг

Вмд - масса детали, кг.

Вмзi = Вмдi / 0,65 (7.4.3)

Таблица 8 Затраты на сырьё и материалы:

Наименование материала	Hmi, кг	Poi, кг	Цi, руб	Hmi * Цi, руб	Poi * Цi, руб
Латунь ЛС 59-1	0,1	0,02	1800	180	36
Стекло опт.К-8	0,05	0,01	3600	180	36
?i				360	72

Зсм = 360-72=288 руб.

Зпп = (7.4.4)

Где ni - норматив затрат на услуги; Ji - количество одинаковых покупных комплектующих; Цпi - прейскурантная оптовая цена i-го изделия

Таблица 9 Затраты на покупку комплектующих изделий:

Наименование изделия	Количество, шт.	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
ИК-диод	1	189	189
Разъём	1	7	7
Шарнирное крепление	1	70	70
Крепежные эл-ты			50
?			316

Зпп = 1,03 * 316 = 325 руб.

Затраты на топливо и энергию:

Зтэ = 0,05 * (Зсм + Зпп) (7.4.5)

Зтэ= 0,05 * (288 + 325) = 31 руб.

Из принятой на современном производстве практики известно, что затраты по статьям «покупные комплектующие изделия», «сырьё и материалы», «основная заработная плата производственных рабочих», распределяется следующим образом: 70%, 10%, 20% соответственно. Тогда затраты на основную заработную плату производственых рабочих составляют: Зоп = (288 + 325)*0,2 / 0,8 = 154 руб.

Дополнительная заработная плата производственных рабочих:

Здп = n * Зоп (7.4.6)

Где n - норматив затрат на дополнительную заработную плату; n = 0.2 .. 0,3

Здп = 0,25 * 154 = 38,5 руб

Цеховые расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:

Зсэ = n * Зоп (7.4.7)

Где n - норматив затрат на содержание и эксплуатацию оборудования; n = 0,85

Зсэ = 0,85 * 154 = 130,5 руб.

Общецеховые расходы

Зоц = n * (Зоп + З дп + Зсэ) (7.4.8)

Где n - норматив общецеховых расходов n=0,3 .. 0,5

Зоц = 0,4 * (154 + 38,5 + 130,5) = 129,2 руб.

Отчисление на страхование:

Зсс = n * (Зсп + Здп) (7.4.9)

Где n - норматив затрат на страхование. n = 0,395

Зсс = 0,395 * (154 + 38,5) = 76 руб.

Цеховая себестоимость изделия:

Сц = Зсм + Зпп + Зтэ + Зоп + Здп + Зсс + Зсэ + Зоц (7.4.10)

Сц = 288 + 325 + 31 + 154 + 38,5 + 76 + 130,5 + 129,2 = 1172 руб.

Общепроизводственные расходы:

Зпр = n * Сц (7.4.11)

Где n - норматив общепроизводственных расходов n = 0,2-0,3

Зпр = 0,25 * 1172 = 293 руб.

Производственная себестоимость составляет:

Спр= Сц+ Цпр (7.4.12)

Спр=1772+293=1465 руб

Внепроизводственные расходы:

Звп=n+ Спр (7.4.13)

Где n-норматив в непроизводственных расходов n=0,1 -0,2

Звп=0,15*1465=220 руб

Полная себестоимость:

Сп= Спр1+ Звп (7.4.14)

Сп=1465+220=1685 руб

7.5 Расчет рентабельности

Прибыль от реализации объекта разработки составляет:

П= Цн- Сп (7.5.1)

П=2175-1685=490

Рентабельность:

(7.5.2)

8. Разработка технического процесса сборки ИК - осветителя

Требования к технологичности конструкции сборочной единицы разделяются на требования к составу, конструкции соединений составных частей и к точности и методу сборки сборочной единицы.

8.1 Требования к составу сборочной единицы

1) Сборочная единица должна расчленяться на рациональное число составных частей учетом принципа агрегатирования.

2) Конструкция сборочной единицы должна обеспечивать возможность компанования из стандартных унифицированных частей.

3) Конструкция сборочной единицы должна предусматривать базовую составную часть, которая является основной, для расположения остальных составных частей, при этом базовая составная часть должна быть удобной для правильной установки на рабочем месте сборки.

4) Компоновка сборочной единицы должна позволять производить сборку при неизменном базировании составных частей.

5) Компоновка сборочной единицы должна обеспечивать возможность общей сборки без промежуточной разборки и повторных сборок составных частей.

6) Компоновка составных частей сборочной единицы должна обеспечивать удобный доступ к листам, требующим контроля и регулировки.

7) Компоновка сборочной единицы и способы соединений должны обеспечивать легкосъемность составных частей с малым ресурсом.

8.2 Требования к конструкции соединенной составных частей сборочной единицы

1) Количество поверхностей и мест соединений составных частей в общем случае должно быть наименьшим.

2) Соединение составных частей не должно требовать сложной и необоснованно точной обработки сопрягаемых поверхностей.

3) Конструкции соединений составных частей не должны требовать дополнительной обработки при сборке.

8.3 Требования к точности и методу сборки сборочной единицы

1) Точность расположения составных частей должна быть обоснована и взаимосвязана с точностью изготовления составных частей.

2) Сборка единицы не должна требовать применения сложного технического оснащения.

3) Выбор методы сборки для данного объема выпуска и типа производства должен осуществляться на основании расчета и анализа размерных целей с учетом трудоемкости сборочных работ и затрат на изготовление составных частей.

4) Заданная точность относительно расположения составных частей должна обеспечиваться соответствующи...