Артюхин В.В., Утенов Ч.А.

Алматинский университет энергетики и связи

 

КОНТРОЛЬ СООТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ДЛЯ ВИДЕОКАМЕР СИСТЕМ ОХРАННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

 

   Качество видеокамеры определяется целым рядом показателей и в спецификациях приводятся значительное количество параметров, которые создают определенные трудности при выборе камеры для конкретной  видеосистемы. В тоже время, производители оборудования в целях продвижения своей продукции на рынке завышают ее заявляемые характеристики и умалчивают о недостатках. Перечень приводимых в паспортах характеристик телевизионных камер и объективов в основном декларирует возможности, которые в свою очередь могут быть не реализованы. Проблема несоответствия декларируемых характеристик привела к необходимости введения входного контроля, однако не все требуемые параметры могут быть однозначно определены /1/.

Целью данной работы является попытка обоснования необходимых условий для объективного определения и инструментального контроля одного из трех параметров, утвержденных ГОСТом Р 51558-2000  /2/, а именно соотношения С/Ш.

Число фотонов , участвующих в образовании зарядового пакета за цикл накопления на элементе (пикселе) ПЗС (прибор с зарядовой связью) сенсора, определяется как /3/

,                                               (1)

где: E – облучённость; S - площадь элемента;  t - время накопления; η - квантовый выход; - энергия фотона, в Дж;  с - скорость света; λ - длина волны излучения; h - постоянная Планка.

 

Мощность 1Вт светового излучения от источника белого цвета с равномерным распределением энергии (например, Солнце), в спектре кривой видимости глаза соответствует световому потоку в 220 люмен. Отсюда следует вывод, что 1 Вт/м2 ≡ 220 люкс, или двум люксам - типичной величине минимальной освещённости на объекте для цветных телевизионных камер /4/. Именно эту энергетическую освещённость, показывая по шкале 2 люкса, будет регистрировать люксметр. В светочувствительной плоскости ПЗС сенсора видеокамеры энергетическая облучённость будет ослаблена. Коэффициент ослабления потока квантов (фотонов) при отражении от объекта и прохождении в плоскость фокусировки объектива, сфокусированного на бесконечность, рассчитывается из известного выражения

Eфотоприемника = (4·F2)-1·Eобъекта·ρ·τ,                                    (2)

где: ρ - коэффициент отражения объекта; τ - коэффициент пропускания объектива;  F - апертура объектива.

При фотоэлектрическом преобразовании возникают шумы. Прежде всего, шумы основного светового потока (фотонный шум) и собственные шумы ПЗС сенсора и видеотракта. Любой дискретный процесс подчиняется закону Пуассона. Поток фотонов также следует этой статистике. Согласно ей, фотонный шум равен квадратному корню из числа фотонов. Таким образом, отношение сигнал/шум в потоке фотонов, падающем на пиксель ПЗС сенсора, будет также равно корню квадратному из числа фотонов. Соответственно, шумовая составляющая зарядового пакета будет равна корню квадратному из среднего значения числа электронов в потенциальной яме пикселя ПЗС сенсора /3/.Число шумовых электронов

.                                       (3)

Практически для всех современных высококачественных ПЗС сенсоров, широко используемых в промышленном и прикладном телевидении, количество шумовых электронов составляет (15 ÷ 25) штук на сенсор /3/. Это количество определяется, в основном, типичной для всех кристаллов ПЗС, техникой исполнения выходного устройства, в котором происходит преобразования заряда пикселя в напряжение. Учитывая собственные шумовые электроны ПЗС в количестве 20 штук в пуассоновском шуме зарядового пакета, получим:

.                                        (4)

Расчётное отношение сигнал/шум

                                          С/Ш=20 log US / UN,                                       (5)

где: US – размах сигнала; UN – среднеквадратическое отклонение. В данном случае, US ≡ , а UN ≡ .

Полученные расчетные значения С/Ш от освещенности для цветных видеокамер различных форматов матрицы показаны на рисунке 1 , а для черно-белых видеокамер на рисунке 2.

Рисунок 1 – Зависимость С/Ш от освещенности для цветных видеокамер, на объекте

Рисунок 2 – Зависимость С/Ш от освещенности для черно-белых видеокамер, на объекте

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что, для цветных видеокамер значения в пределах 40÷50 дБ, определяются при освещенности (0,01÷3) лк на объекте, что соответствует (0,001÷0,3) лк на матрице. Для черно-белых камер значения С/Ш в пределах 40÷50 дБ, определяются (0,03÷0,3) лк на объекте, что соответствует (0,003÷0,03) лк на матрице. Указанные значения, соответствуют уровню выходного видеосигнала 0,7 В. Уменьшение освещенности приводит, к снижению уровня выходного сигнала, следовательно к уменьшению соотношения С/Ш. Увеличение освещенности приводит к увеличению С/Ш, однако в реальных условиях при наличии автоматической регулировки усиления (АРУ), увеличения уровня сигнала происходить не будет и соотношение С/Ш, не будет увеличиваться. Таким образом, объективный контроль соотношения С/Ш, возможен только при значении уровня выходного сигнала равном 0,7 В и при минимально возможной освещенности. Отклонение от данного условия приведет к тому, что замеры будут проведены некорректно и не станут соответствовать действительным значениям.  Результаты инструментальных замеров, при измерении освещенности на объекте,  для видеокамер NVС-825D (1/3”, режим ночь) и  NVC-SC200D (1/3”, цвет), проведенных  на лабораторном стенде /1/,  приведены на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 –Измеренные значения С/Ш  для ч/б камеры

 Рисунок 4 –Измеренные значения С/Ш для цветной  камеры

Сравнение полученных результатов с расчетными и заявленными техническими характеристиками видеокамер (NVС-825D не менее 50 дБ,  NVC-SC200D не менее 48 дБ) и проведенный анализ показывают, что разница в значениях не превышает ± 5 дБ для цветной видеокамеры и  ± 2 дБ для черно-белой видеокамеры. Таким образом, предлагаемая методика проведения инструментального измерения значений С/Ш может быть использована в эксплуатационных предприятиях для проведения входного контроля новых видеокамер.

Литература:

1.                В. В. Артюхин. Инструментальное определение качественных характеристик видеокамер в системах охранного телевидения // Материалы 6-ой научно-практической конференции. «Актуальные возможности науки – 2010». – Praha. – «Education and Science». – 2010. – с.43÷46.    

2.                ГОСТ Р 51558-2000. «Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний». – 2001.

3.                Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. "Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС"//, "Специальная техника", № 5. – 1999.

4.                Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. "Телевидение".М: "Связь". – 1975.