Архив рубрики «Инфракрасные системы «смотрящего» типа»

PostHeaderIcon ПИРОВИДИКОНЫ (ПИРИКОНЫ)

Передающую телевизионную трубку с пироэлектрической мишенью в качестве чув­ствительного слоя называют пировидиконом или пириконом. Принцип действия и конст­рукция пировидикона аналогичны принципу действия и конструкции видикона. Здесь фоточувствительный катод заменен пироэлектрической мишенью в виде тонкой пласти­ны пироэлектрического кристалла, не требующей охлаждения. Входное окно, к которому прикрепляется мишень, обычно выполняется из германия. На сторону мишени, приле­гающую к входному окну, наносится тонкослойный электрод, прозрачный для ИК — излучения. На другую сторону ее наносится пленка, защищающая пироэлектрический кристалл от разрушения ионами, генерируемыми электронным пучком, считывающим зарядный рельеф мишени. В качестве материала мишени целесообразно выбирать пиро­электрики с наименьшей диэлектрической проницаемостью и малой тепловой диффузи­ей, например триглицинсульфат (ТГС) и дейтерированный триглицинфторбериллат (ДТГФБ). Пироэлектрические материалы чувствительны лишь к изменению температу­ры. Поэтому ИК-излучение, которое строит изображение на пироэлектрической мишени, должно быть переменным, для чего в систему с пировидиконом устанавливается специ­альный модулятор (обтюратор) либо в отдельных случаях такая система работает в пано­рамирующем режиме, при котором она медленно перемещается относительно просмат­риваемого пространства. Для сохранения чувствительности пировидикона постоянной при изменениях окружающей температуры в конструкцию прибора в непосредственной близости от диафрагмы, ограничивающей сечение считывающего пучка электронов, вво­дится нагревательный элемент, который обеспечивает постоянство температуры мишени.

Для снижения тепловой диффузии пироэлектрическую мишень разбивают на от­дельные малоразмерные элементы, помещая их на подложку с низкой теплопроводно­стью (сетчатая мишень). Пировидикон отличается от обычного видикона тем, что вы­сокочувствительные ферроэлектрики (сегнетоэлектрики), используемые в качестве пи­роэлектрических мишеней и являющиеся хорошими изоляторами, не пропускают по­стоянный ток. Постоянная составляющая электронного луча, считывающего мишень, заряжает ее. Если луч не заземлять, мишень, которая представляет собой емкость, мо­жет полностью зарядиться, и работа пировидикона прекратится. Во избежании этого постоянный ток не должен протекать по цепи видеосигнала, а положительный заряд, равный отрицательному, перенесенному считывающим электронным лучом, должен периодически возобновляться. Для этого используют различные методы создания по­ложительного (базового) заряда, или пьедестала. Наибольшими преимуществами обла­дает метод, основанный на вторичной электронной эмиссии свободной поверхности пироэлектрической мишени, сканируемой пучком медленных электронов, при котором положительный заряд образуется во время обратного хода электронного луча, т. е. вне времени считывания ИК-изображения [35].

В пировидиконах превалируют шумы Джонсона на мишени, базового тока и преду­силителя видеосигнала. Последние заметно превышают внутренний шум пироэлектри­ческого материала, обусловленный в основном шумом Джонсона, возникающим из-за диэлектрических потерь.

В ИКС с пировидиконами в соответствии с отмеченными особенностями использу­ются устройства синхронизации прерывания входного сигнала и сканирования мишени и схемы вычитания базового тока из полного видеосигнала. Сигнал, появляющийся при каждом открывании обтюратора, инвертируется, а затем считывается непосредственно с экрана системы отображения или же видеосигнал сначала подается в сумматор изо­бражений (отдельных кадров), а потом воспроизводится в системе отображения.

Специальный процессор в составе электронного модуля пирикона, работающий в реальном масштабе времени, позволяет путем попарного сравнения разнополярных сигналов в полукадрах (положительных при нагреваемой открытой мишени и отрица­тельных при остывающей закрытой) повысить геометрическое разрешение мишени с

120.. . 130 до 160… 180 телевизионных линий (ТВЛ) и улучшить АТР системы, которая в режиме модуляции (обтюрации) может при этом составить 350 мК (при 50 ТВЛ на ми­шень), а в режиме панорамирования — 150 мК (по крупным деталям изображения).

Из-за переменной полярности сигнала, снимаемого с выхода пироэлектрического приемника при открывании и закрывании модулятором его чувствительной площадки, может возникнуть мерцание изображения. Это мерцание устраняют, используя в элек­тронном тракте пирикона схемы (накопители), в которых видеосигнал суммируется по нескольким кадрам, а затем передается на систему отображения. При этом отношение сигнал-шум улучшается на 25…30%. После выключения питания или перегрева пиро­электрической мишени чувствительная мишень поляризуется с помощью схемы, обес­печивающей требуемую последовательность подачи питающих напряжений.

Области применения пириконов весьма разнообразны: в системах охранной и по­жарной сигнализации, при дистанционных измерениях температуры, космических ис­следованиях, в лазерной измерительной аппаратуре, военной технике, в медицине и др. Эти сравнительно недорогие приемники, работающие в широком диапазоне час­тот и температур, имеют низкое энергопотребление и удельную обнаружительную способность около 109 Вт_1-смТц1/2. Низкая теплопроводность пироэлектрических кристаллов позволяет создавать многоэлементные структуры с низкими перекрест­ными тепловыми помехами между отдельными элементами чувствительного слоя. Пироэлектрические приемники самой различной формы и размеров технологичны и сравнительно недороги.

Несмотря на то, что удельная обнаружительная способность В пироэлектрических одноплощадочных приемников почти на два порядка хуже, чем одноплощадочных ох­лаждаемых фотонных (квантовых) приемников из ГпБЬ и НдСсГГе, режим накопления и осреднения, в котором работают их отдельные элементы (при частоте кадров 25 Гц время полукадра примерно 20 мс, а число элементов пироэлектрической мишени пири — кона эквивалентно нескольким десяткам тысяч единичных приемников), позволяет по­лучить большое отношение сигнал-шум, пропорциональное корню квадратному из числа накапливаемых сигналов, и тем самым достичь АГр близких к АТР охлаждаемых квантовых приемников, работающих в диапазоне 8… 14 мкм. Рабочий спектральный диапазон ИКС на базе пироэлектрических МПИ практически неселективен и ограничи­вается пропусканием материалов оптической системы и прозрачностью среды распро­странения сигнала (атмосферы).

В то же время в силу ряда причин (большие габариты, сложность технологии изго­товления и конструкции, недостаточно высокие чувствительность и геометрооптиче­ское разрешение и др.) системы с пировидиконами до сих пор используются недоста­точно широко. Тем не менее приведем несколько примеров ИКС на базе пировидико — нов. Отечественная промышленность серийно выпускает пировидиконы со сплошной мишенью диаметром около 16 мм, изготовленной из триглицинсульфата и имеющей чувствительность порядка 5…13 мкА/Вт. Они обеспечивают ДТп = 0,1…0,5 К (напри­мер, тепловизор ТЭМП-1, созданный НПП «Гамма» совместно с НИИ «Платан» и СКБ филиала Института радиоэлектроники РАН).

Пировидиконы ЛИ492 и ЛИ492С с сетчатой мишенью, работающие в спектральном диапазоне 8… 14 мкм и имеющие трубку диаметром около 27 мм и длиной 164 (у ЛИ492) и 132 мм (у ЛИ492С), обеспечивают разрешение до 300 телевизионных линий.

В последние годы изучается возможность создания пировидиконов со структуриро­ванной мишенью, обеспечивающей лучшее геометрическое и температурное разреше­ние. При вводе в электронно-оптический тракт пировидикона управляющего электрода удалось поднять токово-энергетическую чувствительность до 100 мкА/Вт.

В ЦНИИ «Электрон» в настоящее время разработаны пировидиконы (например, ЛИ513), имеющие формат 300х300 элементов с чувствительностью 50…70 мкА/Вт и даже 400х400 с чувствительностью 5…8 мкА/Вт. Применение этих пировидиконов по­зволяет при сохранении достаточно хорошей для ряда применений ДГР в несколько раз сократить светосилу объектива, т. е. увеличить диафрагменное число К, что существен­но снижает габариты, массу и стоимость оптической системы.

Прибор ТР-4604П, созданный МРПО «Спектр» (Москва), служит для контроля утечки тепла из зданий и сооружений, определения мест перегрева и других приме­нений. Его геометрооптическое разрешение составляет 150 ТВ Л, температурное — 0,4°С в рабочем диапазоне температур от -30 до +300°С. Габариты (без объектива) — 285х 150х 130 мм; масса — не более 2,9 кг; питание от сети ~ 220 В, 50/60 Гц или авто­номное: 12 В постоянного тока 1,3 А; время непрерывной работы -2 ч.

МРПО «Спектр» предложило модификацию этого прибора — ТН4604МП на пиро­электрической матрице формата 320х240 с температурным разрешением 150 мК, а так­же малогабаритную камеру на микроболометрической матрице формата 160х 120 с ДГп = 100 мК, габаритами 130х210х140 мм и массой 1,5 кг.

То же объединение выпускает также многофункциональную тепловизионную аппа­ратуру ТН-3 на пировидиконе со следующими параметрами:

• минимальная разрешаемая разность температур ДТр = 0,15°С в режиме панорами­рования (по крупным объектам) и 0,5°С в режиме модуляции (обтюрации) с кадровой частотой 25 Гц;

• габаритные размеры 132x550x170 мм;

• масса 6 кг.

Хорошо известен и распространен на практике пирикон ТН 9851 фирмы «Томсон ЦСФ» (Франция), имеющий следующие основные параметры:

• спектральный рабочий диапазон 8… 14 мкм;

• чувствительность 4,5 мкА/Вт;

• габариты пирикона 165x29x26,7 м;

• масса 60 г;

• рабочие напряжения (токи) на мишени 125 В, на электродах 250, 200 и 180 В;

• напряжение накала 6,3 В;

• формат кадра 18×24 мм;

• минимальный полезный диаметр мишени 17 мм;

• разрешающая способность 250 TBJT;

• рабочая температура (оптимальная) 30…35°С.

Среди других известных зарубежных разработок можно отметить пироэлектрическую камеру «PYRO-2000» Uncooled Thermal Imager фирмы «GEC-Marconi» (Великобритания) с форматом матрицы 100×100, ДГП= 0,3 К, габаритными размерами 80x140x180 мм, мас­сой 1,8 кг, потребляемой мощностью 5 Вт.

Одной из лучших разработок является пировидиконный тепловизор Р4438 ARGUS фирмы «English Electric Valve», имеющий следующие основные параметры:

• габаритные размеры 330х310х160 мм;

• масса с объективом/’= 18 мм 2,7 кг;

• потребляемая мощность 4,5 Вт;

• время непрерывной работы (при питании от аккумулятора) 1 час.

Фирма «Insight Vision Systems» (Великобритания) предложила пировидиконную ка­меру с Д7,р= 0,2°С и разрешающей способностью 150 TBJI по всей мишени.

Фирма «AGUSTA» (Италия) изготавливает тепловизионный прибор CIRTEVS на пировидиконе с геометрооптическим разрешением до 150 TBJI и температурным раз­решением до 0,3°С. Угловое поле прибора равно составляет 18°, масса — 5 кг, энергопо­требление — 18 Вт при напряжении питания 12 ± 1,5 В.

PostHeaderIcon СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ИКС «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА

Структурная схема обработки сигналов в ИКС «смотрящего» типа на рис. 9.1 более подробна, чем та, что в самом общем виде рассматривалась в гл. 1. Входной аналоговый оптический сигнал, условно представленный на рис. 9.1 в виде двумерного распределения яркости Ь(х, у), преобразуется оптической системой (объективом) с функцией рассеяния точки ЯогггС*^) в двумерное распределение освещенности Е{х, у) на чувствительном слое МПИ. После дискретизации изображения путем выборки отдельных его элементов и ос­реднения амплитуд сигналов по площади каждого элемента чувствительного слоя МПИ, производящего пространственную выборку, эти сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), квантующий их по уровню. Затем образованное таким образом цифровое изображение фильтруется. На заключительном этапе преобразований выходной сигнал реконструируется, т. е. возвращается к аналоговой форме, и отображается на дис­плее или каком-либо другом устройстве. Знак «*» на рисунке обозначает свертку функции, знак «х» — умножение, а знак «+» — сложение. Функции %(■) с разными индексами обозна­чают импульсные реакции отдельных звеньев системы на воздействия в виде дельта­функций, преобразования которых по Фурье представляют собой частотные характеристи­ки этих звеньев. На рис. 9.1 показаны не все возможные звенья системы, а лишь принципи­альные с точки зрения рассматриваемых вопросов. Шумы ФПУ, включая шумы схемы считывания сигналов с элементов МПИ, приведены к выходу ФПУ. Блок реконструкции, т. е. преобразования цифрового дискретного электронного изображения в аналоговую фор­му, и система отображения показаны раздельно, хотя часто последняя выполняет не только преобразование электронного изображения в видимое оптическое, но и реконструкцию изображения.

После краткого рассмотрения схемы на рис. 9.1 можно отметить, что преобразова­ние сигналов, приходящих на вход ИКС «смотрящего» типа, характеризуется следую­щими тремя основными процессами:

8 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

МПИ и схема считывания

Л.

N

Элемент чувствительного слоя ФПУ

7

Ё&.у)

Эго *<Х’У) <**х. у)

Х, у^(х. у) [*.»1&зО*Уэ(^)]М^)

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ИКС &#171;СМОТРЯЩЕГО&#187; ТИПА

Оптическая система (объектив) Е(х, у)=5^(х, уУ= Цх. у) _ — Дзд)*&пт (х>У)

 

Г

Ёот(Х. У)

 

Г

 

—КЗ

АЦП,

Квантующий

Сигнал

 

Фотоприемное устройство (ФПУ)

 

III ФПУ

 

Цифровой Блок (фильтр) Система отображения

Фильтр реконструкции (дисплей)

Ф, у) ^ ^ ФУ) 5и(х, у)

Г

£со(*Л0

подпись: г
£со(*л0
♦©———- И^ь-

Ушкв £ф(х>У)

-к*.

Рис. 9.1. Структурная схема модели ИКС «смотрящего» типа с цифровой обработкой изображения

— размытием изображения (аналогового сигнала) до его выборки, которое обуслов­лено дифракцией и аберрациями в оптической системе, возможными вибрациями изо­бражения, конечностью размеров и формой чувствительного элемента приемника излу­чения, осуществляющего выборку и осреднение сигнала;

— выборкой изображения, т. е. представлением его конечным числом функций (сово­купностью дискретных амплитуд сигнала в отдельных точках размытого до выборки изображения) и получением изображения в цифровой форме, при этом в спектре сигна­ла могут появиться побочные гармоники (спектры), приводящие к «ложным» изобра­жениям (подробнее см. далее);

— реконструкцией цифрового сигнала в аналоговую форму с помощью электронного фильтра, системы отображения (дисплея) и зрительного аппарата человека-наблю — дателя.

Перед тем, как рассматривать электронный тракт (аппаратно-программный блок ИКС) и систему отображения, целесообразно проанализировать некоторые специфи­ческие для ИКС «смотрящего» типа методы обработки изображений и сигналов: про­странственную выборку двумерных сигналов и микросканирование изображения, а
также вкратце остановиться на фильтрации и реконструкции цифрового сигнала, т. е. на «возвращении» ему аналоговой формы.

PostHeaderIcon ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

Практически в любой ИКС происходит выборка отдельных значений непрерывного аналогового сигнала, т. е. преобразование его в дискретную форму. В ИКС «смотряще­го» типа пространственную выборку изображения выполняет многоэлементный прием­ник излучения. Необходимое число выборок изображения очень часто определяется из условий выполнения требований к разрешению обнаруживаемых или наблюдаемых объектов, например, в соответствии с критериями Джонсона (см. §4.3).

Выборку изображений можно проводить с различной периодичностью по каждой из ортогональных осей системы координат (х, у), в которой рассматриваются изображе­ния. На практике эта так называемая асимметричная выборка чаще встречается в ИКС со сканированием, хотя используется и в ИКС «смотрящего» типа. Такое название вы­борки связано с несимметричными аберрациями оптических систем (астигматизмом, дисхорсией), перспективными искажениями изображений для разных углов визирова­ния, неизотропными формами чувствительных элементов МПИ и закономерностями расположения этих элементов по общей площади МПИ и др.

Рассмотрим простейший случай, когда исходный сигнал 5 имеет вид последователь­ности синусоидальных импульсов с периодом Х8 и частотой / (рис. 9.2) и подвергается выборке с периодом Хшъ и частотой /выъ//5. Легко видеть, что показанная на рис. 9.2 штриховой линией огибающая выбранных значений исходного сигнала, которая и яв­ляется реконструируемым сигналом, имеет меньшую частоту, чем

В реальных системах выборка двумерных сигналов — изображений пространства предметов — осуществляется не в отдельных точках плоскости изображений, а в преде­лах чувствительных площадок элементов МПИ.

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

подпись: 4х

Выб

подпись: выб

Рис. 9.2. Образование низкочастотной составляющей после выборки сигнала

подпись: рис. 9.2. образование низкочастотной составляющей после выборки сигналаВ ИКС выборку сигнала могут выполнять растры, многоэлементные приемники, сканирующие системы, АЦП и др. При их использовании происходит усреднение сигнала, например потока излучения, проходящего через прозрачную ячейку растра или падающего на элемент МПИ, т. е. на выходе ячейки растра или элемента МПИ образуется сигнал, пропорцио­нальный среднему по их площа­ди значению входного сигнала.

Обычно принимают, что пропус­кание ячейки растра или чувст­вительность элемента МПИ ха­рактеризуются средним по их площади значением этого параметра.

8*

Сигнал на выходе МПИ, осуществляющего пространственную выборку (рис. 9.1), можно представить в следующем общем виде:

(*> у) = [sBX (X, у) * g3 (X, у)] r(x, у)а^ (х, у),

Где sBX(x,.y) — функция, описывающая распределение облученности в плоскости чувст­вительного слоя МПИ; g3(x, y) — распределение чувствительности по площади элемента МПИ, обычно принимаемое постоянным; /*(х,>’) — функция, учитывающая размеры площади чувствительного слоя МПИ и закон распределения элементов по этой площа — ди; а^(х, у) — функция, описывающая двумерную пространственную выборку изобра­жения элементами МПИ, периоды расположения которых равны Хэ и Уэ по осям х и у соответственно, т. е.

«£(*>0=-“гХXцf-“m>7T-n = ,у-лУ).

Э Э Э Э у т=-оо«=-ао

Спектр функции sBblx(x, у ) имеет вид

Где функции 5ВЫХ(-), G(-), R{-) и (•) — спектры (преобразования Фурье) функций ЯвыхО* Яэ(-), г(-) и <£ (•) соответственно.

Связанное с конечностью значений чисел пикселов т (по оси х) и п (по оси у) при­ближение вполне допустимо в практике расчетов при МПИ больших форматов, т. е. при достаточно больших тип.

Спектр функции (1^{х, у) имеет вид

= — угг i, 2>(/< -<*•/,Z Ёад-К,./, — пГ„),

Э э т=-оол=-оо т—оо и~-оо

Л,= Ух„/.г=ук-

Для прямоугольной формы чувствительных элементов с размерами а и Ъ по осям х и у соответственно спектр функции g3(x, j) описывается выражением

G3(fx, fy) = sine (afx, bfy),

А спектр функции г(х, у)

R(fx, fy) = mXjiY3smc{mX3fx, nY3fy),

Где sinc(z)=sin(nz)/nz.

Объединяя приведенные выражения, можно получить формулу для спектра сигнала, образующегося после выборки, т. е. на выходе МПИ:

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

Т п

Таким образом, очевидно, что спектр сигнала после выборки представляет собой спектр исходного сигнала (изображения), повторяющийся через интервалы/х=УХэ и f у- 1/Гэ, причем для отдельных полос этого спектра распределения амплитуд гармо­ник соответствуют (при т, п » 1) распределениям амплитуд функции Сэ([х, /у), т. е.

Этс(а/х, Ь/у).

Если частота выборки достаточно велика, а полоса частот, занимаемая исходным аналоговым сигналом (полоса пространственных частот, занимаемая спектром двумер­ного изображения в плоскости МПИ), ограничена, то после выборки и реконструкции можно получить выходной аналоговый сигнал, подобный исходному.

Максимальной частотой (гармоникой) сигнала, передаваемого и реконструируемого без искажений, является частота Найквиста равная половине частоты выборки /ВЪ}6, т. е. = /выб /2. Если какая-либо гармоника спектра исходного сигнала превышает имеет место наложение спектров, т. е. в спектре дискретизированного сигнала появля­ются ложные низкочастотные составляющие, в результате искажается реконструируе­мый сигнал, т. е. изображение на выходе ИКС [50, 61, 142.]. При этом на экране систе­мы отображения может возникнуть растровая структура, во избежание чего при реше­нии задач распознавания или идентификации используют так называемое сжатие пере­даточной функции системы или частот [113].

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМИз анализа формулы для 5ВЪГХ(/Х, /у) следует важный вывод: искажения сигнала при усредняющей выборке тем больше, чем больше размеры а и Ь, т. е. чем быстрее убыва-

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

/

2/выб /

Рис. 9.3. Преобразования спектра сигнала 8ВХ{/) (а) при выборке с частотой/,ыб >2/^ (б),

Увыб = = 2/; ф (в), Увыб < 2£ гр (г)

Ют эшс-функции. С уменьшением а и Ъ 5ВЫХ(/Х,/У) приближается к спектру идеальной выборки. Если размеры а и Ь приближаются к периодам Хэ и Уэ, боковые полосы на частотах/^ = 1 /а,/у = 1/Ь и подавляются сильнее, что облегчает фильтрацию сигнала ре­конструирующим фильтром и улучшает восстанавливаемое изображение.

Изменения спектра сигнала при выборке показаны на рис. 9.3, где граничная частота спектра исходного сигнала 5ВЪ1Х(/) обозначена/ гр. При несоблюдении условия/вы6 > гр/2 епектр выходного сигнала не повторяет спектра исходного сигнала, т. е. имеют место искажения восстанавливаемого после выборки изображения. Чтобы избежать этих ис­кажений или уменьшить их влияние, необходимо в качестве реконструирующего при­менять низкочастотный фильтр, отсекающий побочные (паразитные) гармоники сигна­ла. Важно отметить, что при^ =/выв /2< /хгр полностью устранить искажения восста­новленного изображения не удается (см. на рис. 9.3,г перекрытие исходного спектра и первой побочной полосы с центральной частотойу^ыб).

Возникающее в результате наложения спектров искажение изображения называют редукцией пространственных частот, а также шумом пространственной дискретизации. Этот шум носит мультипликативный характер, поскольку зависит не только от пара­метров МПИ, но и от структуры исходного изображения. Способы уменьшения вредно­го влияния пространственной дискретизации могут быть различными. Самый простой из них — это ограничение пространственно-частотного спектра изображения до его про­странственной выборки пространственным фильтром, которым служит апертурная диафрагма объектива или приемника с определенным законом распределения пропус­кания или чувствительности. Кроме того, изображение, подвергнутое выборке в от­дельных равноотстоящих точках, можно занести в буферную память, а затем, умножив каждый отсчет на значение некоторой весовой функции, удвоить шаг между ними. Из­вестны также способ разложения функции, описывающей изображение в ряд ортого­нальных функций Уолша и др. [113].

Поскольку искажение спектра изображения из-за наложения побочных спектров не­возможно устранить в последующих звеньях электронного тракта, включая дисплей (сис­тему отображения), остается только воспользоваться увеличением частоты выборки.

Рассмотрим механизм описания пространственной выборки, осуществляемой МПИ вдоль одной из ортогональных осей координат, без учета пространственного фазового сдвига или взаимного смещения изображения и МПИ, осуществляющего выборку, от­носительно исходного сигнала (изображения), который в общем случае может быть случайным. Первый минимум пространственно-частотной характеристики элемента МПИ приходится на частоту среза /хл= 1/аэ, где аэ — угол, стягиваемый элементом, имеющим линейный размер а. Обычно, для/’» а принимается аэ = а//’, где /’ — фокус­ное расстояние объектива, строящего изображение в плоскости МПИ.

Период пространственной выборки вдоль какого-либо размера поля обзора 2со0б3 ра­вен (2сообз — аэУЛ’выб, где Л^б — число выборок. Соответственно, при 2сообз» аэ

Увыб * ^»ыб/^®об1

Если период расположения элементов МПИ равен Хъ, то частота Найквиста, ограни­чивающая пространственно-частотный спектр изображения, передаваемого без иска­жений, определяется как

/м = 0,5(Хэ//’)“’.

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМНа рис. 9.4 показано изменение значений частоты Найквиста /к при изменении частоты выборкиУвЬ1б, определяемой периодом расположения Хэ элементов МПИ или растра, осуще­ствляющего выборку. При одном и том же размере элемента с1э увеличение Х3 в два раза сопровождается соответственным уменьшением /к, что ведет к ограничению диапазона пе­редаваемых без искажений частот в спектре исходного изображения также в два раза.

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

А б

Рис. 9.4. Изменение частоты Найквистапространственно-частотной характеристики МПИ

При 4Д3= 1 (а), с1/Хэ = 0,5 (б)

Частоту Найквиста, определяющую предельно разрешаемый без наложения спек­тров диапазон пространственных частот, можно увеличить, уменьшив период располо­жения чувствительных элементов МПИ, но не их размер. Иначе при этом из-за воз­можного наложения спектров ухудшится качество изображения, а следовательно, и ве­роятность его распознавания, классификации и т. д.

Нужно отметить, что ИКС «смотрящего» типа может обнаруживать сигналы от объ­ектов, пространственные частоты которых превышают /ха, например сигналы от излу­чающих объектов с угловыми размерами, гораздо меньшими аэ, однако она не способ­на воспроизвести эти сигналы без искажений из-за последствий выборки — возникнове­ния побочных гармоник и наложения (переналожения) частот в низкочастотной облас­ти спектра. Так, при калибровке ИКС с достаточно высокой частотой выборки по тест- объекту в виде миры, у которой пространственная частота превышает частоту Найкви­ста, изображение миры будет искажено и содержать меньшее число штрихов, чем тест — объект. При малой пространственной частоте выборки штрихи миры из-за сдвига спек­тра в область низких частот могут слиться в слабоконтрастную, достаточно однород­ную светящуюся структуру. Поэтому в системах «смотрящего» типа часто за гранич­ную частоту принимают частоту Найквиста.

Помимо пространственной выборки входного сигнала многоэлементным прием­ником, аналого-цифровым преобразователем осуществляется и выборка аналогового сигнала во временной форме. Принципиально аналоговый сигнал можно преобразо­вать в цифровой на любой частоте, однако здесь также следует помнить о необходи­мости соблюдать условие Найквиста, в соответствии с которым сигнал, передаваемый без искажений, не должен иметь в своем спектре частот, больших/^ = 0,5/ВЬ1^.

Для ослабления описанного эффекта наложения пространственных частот, приво­дящего к уменьшению частоты Найквиста, можно использовать микросканирование (подробнее см. §9.3) либо предварительную пространственную фильтрацию в оптиче­ской системе, в которой изображение строится с использованием объектива с ОПФ, близкой по форме к прямоугольной, при верхней граничной частоте, равной частоте Найквиста. На практике идеальную прямоугольную характеристику получить невоз­можно из-за заметного спада ОПФ на высоких частотах, обусловленного потерей геометрооптического разрешения. Обычно размытием изображения реализуют при­ближение ОПФ к идеальному случаю. И если при этом потери энергии сигнала за­метно меньше, чем при микросканировании, то разрешение гораздо хуже, так как те­ряются высокие пространственные частоты, характеризующие малоразмерные детали изображения и границы наблюдаемых объектов.

Предварительная пространственная фильтрация в оптической системе позволяет избежать эффекта наложения частот для объектов со сложной структурой, т. е. имею­щих высокочастотные составляющие в пространственно-частотном спектре их изо­бражений. Однако при этом приходится мириться с заметными потерями энергии сигнала.

Системы с выборкой не инвариантны к сдвигу изображения относительно рисунка растра МПИ. Если изображение с периодической структурой в виде узких ярких по­лос попадает в промежутки между элементами чувствительной площадки МПИ, то сигнал, образующийся при выборке, будет минимальным. Напротив, если положения полос изображения и элементов МПИ точно совпадают, сигнал будет максимальным. В промежуточных вариантах, т. е. при изменении пространственной фазы (угла 9Л) между изображением и растром МПИ, амплитуда выходного сигнала будет иметь промежуточные значения. В качестве примера на рис. 9.5 показано изменение формы сигнала при его дискретизации, квантовании по уровню и осреднении внутри интер­вала выборки в случае, если пространственная фаза выборки изменяется. Очевидно, что передаточная функция процесса выборки будет зависеть от взаимного располо­жения изображения и МПИ. В общем случае (рис. 9.6) она имеет вид

4_(Л=«*(/&//„).

Иногда некоторое среднее значение Лвыб([х) выбирают соответствующим 0* = 71/4. При этом с учетом того, что /к = 0,5 /шб,

4ь*(Л)=С08(л/х/2/вы6).

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

Пространственной выборке по оси х: а — вид исходного аналогового сигнала; Рис. 9.6. Усредненная передаточная функция

Б — ступенчатые (квантованные) сигналы после процесса выборки, учитывающая взаимный сдвиг пространственных выборок с различной фазой изображения и растра МПИ

В других случаях принимают (рис. 9.6)

4ыб(/*Мпс (Л//Сп,)-

В случае двумерного МПИ при оценке изменения спектра исходного сигнала из-за пространственной выборки необходимо учитывать ряд факторов: дискретность прием­ника по координате у; возможную неидентичность оптических передаточных функций по горизонтали и вертикали из-за астигматизма объектива или в редком на практике случае из-за использования анаморфотной оптической системы; возможное различие размеров чувствительных элементов и пикселов МПИ по горизонтали (по оси х) и по вертикали (по оси у); изменение пространственной фазы сигнала, снимаемого с МПИ, из-за смещения изображения по вертикали относительно растра МПИ; возможное раз­личие в характере случайного (например, из-за вибрации) или задаваемого (при микро­сканировании) движения изображения МПИ похиу. Эти различия сказываются преж­де всего на виде передаточных функций соответствующих звеньев ИКС и тем самым приводят к различным оценкам ряда критериев качества ИКС, например пространст­венного и температурно-частотного разрешения по горизонтали и по вертикали.

Механизм работы и формулы для расчета параметров и характеристик упомянутых звеньев ИКС идентичны для каждой из ортогональных координат. Тем не менее с уче­том результатов ранее проведенного анализа одномерной выборки по оси х рассмотрим некоторые особенности процесса пространственной выборки, осуществляемой двумер­ным МПИ по координате у.

Частота выборки по у зависит от шага расположения чувствительных элементов, т. е. от периода выборки Уэ, и размера чувствительного элемента по вертикали Ь. Если Уэ и Ь взяты в угловой мере, т. е., например, приведены к фокусному расстоянию объектива/’, то пространственная частота выборки (рад ’) определяется как

Где % — коэффициент перекрытия строк (заполнения) элементов МПИ по вертикали:

< 1 при Ъ < Уэ; Г[у = 1 при Ъ = Уэ; гу > 1 при Ъ > Уэ (отдельные столбцы элементов МПИ поочередно сдвинуты друг относительно друга вверх и вниз по оси у).

При различных ху, т. е. различных соотношениях между Ъ и Уэ, передаточная функ­ция выборки (составляющая частотной характеристики устройства, осуществляющего выборку) меняет свой вид (рис. 9.7). При Ъ < Уэ и гу > 1 возможен случай, когда частота Найквиста будет больше граничной частоты (у ф, определяемой угловым размером Ъ//’ чувствительного элемента:

При Уэ< Ь и > 1 избежать искажений спектра изображения при выборке из-за воз­никновения побочных низкочастотных составляющих возможно лишь при условии, что Уэ < Ь/2.

Таким образом, чтобы уменьшить искажения сигнала (изображения) из-за редукции частот при выборке, необходимо:

— ограничивать полосу частот сигнала,

— подбирать надлежащую частоту выборки,

— применять соответствующие конкретным параметрам сигнала и выборки реконст­руирующие фильтры.

Наибольшие принципиальные трудности вызывает первое из этих положений, по­скольку спектр большинства реальных сигналов, поступающих на вход ИКС, содержит

У

‘ +

Т“

■ ь

. 1

подпись: у — ' +
т“ — ■ ь
 — . 1

0,5 Угд—1 /у Выб~2

Гу’/угр

подпись: 0,5 угд—1 /у выб~2
гу'/угр
ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ•^выб 1

0,8

0,6

0,4

0,2 0

А выб 1

0,8

0,6

0,4

0,2

подпись: а выб 1
0,8
0,6
0,4
0,2
А)

ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ

Рис. 9.7. Передаточные функции выборки при различных соотношениях между размером элемента Ь и периодом выборки К,: Ь > Уэ (а), Ь=Уэ(б)’,Ь<Уэ(в).

Высокочастотные составляющие, соответствующие мелким деталям и краям отдельных фрагментов наблюдаемых объектов, а именно эти частоты (или малоразмерные структу­ры) чаще всего используются для выделения полезных сигналов на фоне помех и шумов при обнаружении, распознавании, классификации и определении координат объектов.

Эффективность геометрооптических методов распознавания и обработки изображе­ний определяет не только число разрешаемых элементов изображения объекта, т. е. число пространственных выборок. Важным фактором, подлежащим обязательному учету, является фазовый пространственный сдвиг — смещение изображения или его от­дельных разрешаемых фрагментов относительно растра МПИ, что особенно важно то­гда, когда изображения отдельных фрагментов наблюдаемого объекта имеют различ­ный фазовый сдвиг относительно МПИ или когда в процессе работы ИКС имеет место движение изображения относительно МПИ.

В то же время необходимо отметить способность зрительного аппарата человека ин­терпретировать не только идеальные, но и искаженные до определенной степени изо­бражения. Это во многих случаях расширяет возможности ИКС и позволяет мириться с отклонениями от сформулированных условий оптимизации системы и отдельных её параметров и характеристик.

Практически во всех ИКС «смотрящего» типа именно пространственно-частотная ха­рактеристика (ПЧХ) приемника (его чувствительного элемента), но не ПЧХ оптической системы ограничивает спектр пропускаемых без искажений пространственных частот.

PostHeaderIcon МИКРОСКАНИРОВАНИЕ

Появление ложных низкочастотных составляющих в спектре дискретизированного сигнала (наложение спектров) из-за дискретной структуры МПИ в ИКС «смотрящего» типа — принципиальный недостаток таких систем, поскольку приводит к искажению спектра изображения, т. е. видеосигнала, а затем и сигнала на экране системы отобра­жения. Во избежание этого для увеличения частоты Найквиста эффективно применять микросканирование, при котором изображение (кадр) сдвигается относительно МПИ на какую-то часть периода расположения элемента МПИ, после чего следует выборка это­го изображения (субкадра или субизображения). Затем полученные цифровые изобра­жения (субкадры) объединяются, образуя один полный кадр. В известных системах ча­ще всего используется сдвиг на половину периода расположения элементов МПИ по каждой координате, т. е. четырехпозиционное микросканирование [98, 192]. При этом, как будет показано далее, частота выборки удваивается по сравнению с частотой, опре­деляемой периодом расположения элементов МПИ, а ПЧХ всей системы остается прежней, т. е. соответствует геометрооптическим параметрам МПИ. В результате нало­жение спектров и сопутствующие искажения заметно ослабляются, т. е. высокие про­странственные частоты в спектре изображения (и соответствующие им мелкие детали) успешно разрешаются. Микросканирование позволяет снизить требования к МПИ, т. е. использовать в системе МПИ меньшего формата с большим периодом пикселов или объектив с меньшим фокусным расстоянием, что важно в связи со стремлением упро­стить конструкцию и уменьшить стоимость как МПИ, так и ИКС.

Как уже было показано, функция двых(х, у), описывающая выборку, является суммой дельта-функций 5 (х — тХэ, у — nY3), называемой сетчатой функцией. Если при микро­сканировании по каждой оси складываются два изображения, сдвинутые на половину пиксела, т. е. на X-J2 и YJ2, то это можно представить как

J £д(х — тХ3, у — пУэ)+ £ J8(х — тХэ — Xj2,y-nY3- Yjl) =

Т—00/l=-00 wj=-oo«=-oo

= SZ8t-mJf,/2,y-nF,/2).

Til—00 /!—— Ю

Таким образом, период выборки по каждой из осей х и у уменьшается в два раза, т. е. частота выборки увеличивается вдвое. Следовательно, предельная частота в спектре изо­бражения, разрешаемая без искажений из-за наложения спектров, увеличивается вдвое.

Микросканирование не только увеличивает частоту Найквиста, но и повышает гео­метрическое разрешение МПИ пропорционально числу позиций (смещений), которые занимает изображение относительно растра МПИ, при сохранении формата МПИ и размера углового поля теми же, что и в системе без микросканирования. Поэтому оно оказывается весьма эффективным в системах, где используется МПИ со сравнительно небольшим коэффициентом заполнения.

Траектория сдвигов при микросканировании может быть самой различной. Напри­мер, на практике достаточно распространена четырехпозиционная траектория: исход­ное положение, вправо на половину пиксела МПИ, вниз на то же расстояние, влево и вверх, т. е. в исходное положение.

Число позиций МПИ, участвующих в одном цикле (периоде) микросканирования, часто определяется необходимостью иметь число отдельных выборок изображения, равное формату системы отображения. Таким образом, с помощью микросканирования можно приводить в соответствие форматы МПИ и системы отображения.

Хотя микросканирование увеличивает частоту выборки, а следовательно, и простран­ственное разрешение, оно одновременно приводит к уменьшению времени накопления

Если при попадании изображения на чувствительный слой приемника, т. е. при оп­росе элементов МПИ при микросканировании, время нарастания и спада сигнала т ма­ло по сравнению с временем (периодом) накопления сигнала tH, то обеспечивается наи­более выгодный режим микросканирования, при котором не происходит спада про — странственно-частотной характеристики этого процесса Кис (fx), характеризующей из­менение геометрического разрешения при росте пространственной частоты fx.

В системе скачкообразного микросканирования переход от одной просматриваемой части периода расположения элементов МПИ к другой, т. е. перемещение линии визи­рования, происходит мгновенно, а затем соответствующая доля периода «посвящена» накоплению сигнала при неподвижном изображении. Во время перемещения приемник излучения не работает, т. е. не накапливает сигнал. Однако конструкция такой схемы столь сложна, что приходится накапливать сигнал во время перехода от одной части Хэ к другой, а это ухудшает геометрическое разрешение системы.

При увеличении т, т. е. по мере его приближения к закон перемещения линии ви­зирования становится похож на линейный, а Кмс(£) аналогична характеристике смаза изображения — функции вида 8тс(г), где г =/ и Если обозначить функцию, описываю­щую изменение во времени сдвига изображения относительно элемента МПИ, т. е. за­кон сканирования, через з(/), то

|с05[27Т/лЛ(7)] <Й I + < [271/^5(0] Л

Для экспоненциального закона микросканирования

5(0 = /'(0,5-е"*)/*,, для вращательного по кругу (нутационного) микросканирования с частотой/,

Где/’— фокусное расстояние объектива.

Микросканирование, увеличивая частоту выборки статического изображения, не может улучшить ни оптическую передаточную функцию системы, предшествующей МПИ, ни передаточную функцию всей системы. Положительный эффект этого процес­са ослабляется или вообще пропадает, если он нестационарен во время интегрирования приемником сигнала, создаваемого изображением (накопления заряда). Относительное перемещение изображения и МПИ в течение времени пребывания элементов изобра­жения на элементах МПИ приводит к размытию изображения. Общая передаточная функция всей ИКС ухудшается, если имеет место несоответствие пикселов МПИ, осу­ществляющих выборку, и системы отображения (дисплея).

При использовании микросканирования важно следить за тем, чтобы сдвиг изобра­жения или его движение не приводили к росту аберраций или смазу изображения.

В системах с микросканированием время накопления зарядов должно быть достаточ­ным для создания требуемого отношения сигнал-шум для каждого промежуточного изо­бражения, т. е. субизображения, получаемого при каждом сдвиге изображения. Это может ограничивать частоту кадров, образующихся в системе отображения. Поэтому наиболее просто обеспечить нужную частоту кадров интегрированного изображения в системах с МПИ, имеющих достаточно большую квантовую эффективность, что позволяет уменьшить время накопления зарядов и считывания сигналов с элементов МПИ. Максимально допус­тимый период кадров, наблюдаемых с помощью системы отображения, приближенно можно определить как произведение требуемого времени накопления и считывания заря­дов в ячейке ФПУ и числа позиций, занимаемых изображением при микросканировании. Так, при частоте кадров 30 Гц и четырехпозиционном микросканировании (сдвиг изобра­жения по каждой оси на 0,5 периода расположения пикселов) частота микросканирования составляет 120 Гц, а соответствующее время накопления зарядов — 8,33 мс.

Микросканирование может уменьшить влияние наложения частот в спектре первого порядка, но не в спектрах высших порядков. Для устранения наложения спектров выс­ших порядков предлагалось использовать дополнительные ступени микросканирова­ния, но это предложение не нашло практического применения из-за сложностей конст­руктивного выполнения ограничения времени и обработки образующихся при этом сигналов. При микросканировании время получения изображения возрастает пропор­ционально числу ступеней (этапов) микросканирования, а частота кадров обратно про­порциональна этому числу. Главное же ограничение микросканирования, как уже от­мечалось, состоит в его неэффективности в случае подвижных объектов, изображение которых нестабильно в течении времени обнаружения или распознавания. Поэтому, ес­ли приоритет отдается устранению вредных побочных изображений, возникающих из — за наложения частот, а не достижению высокого пространственного разрешения, то в случае достаточно ярких объектов часто используется не микросканирование, а пред­варительная пространственная оптическая фильтрация, в частности искусственное раз­мытие изображений.

Микросканирование наиболее целесообразно для ИКС сравнительно невысокого разрешения, например для систем с МПИ на базе InSb или КРТ формата 256×256, имеющих высокий квантовый выход и требующих сравнительно небольшого времени накопления. Поэтому в ИКС на их основе микросканирование позволяет улучшить раз­решение без потери чувствительности.

Фирмой «ВАЕ Systems (BAE Systems Infra-Red Ltd.)», Великобритания, разработана схема, в которой используется сложный «трехслойный» обтюратор, необходимый для работы ферроэлектрического МПИ и реализующий микросканирование. В каждом окне обтюратора расположены германиевые плоскопараллельные пластинки. Смещения изображения Дп, вызываемые этими пластинками, зависят от угла их наклона /п относи­тельно оптической оси, их толщины dn и показателя преломления п и определяются по известной формуле [34, 61, 169 и др.]

, И-1

Д„*(К—tg/„.

П

При вращении обтюратора синхронно с процессом считывания сигналов с МПИ каж­дое окно создает свое смещение изображения, т. е. «пространственная фаза» изображе­ния, проходящего через обтюратор, меняется. Микросканирование в системе «ВАЕ Systems» с ферроэлектрической микроболометрической матрицей формата 256×128 по­зволяет довести эквивалентный формат до 256×512 элементов. Включение такой сис­темы в конструкции ранее разработанных ИКС фирмы «ВАЕ Systems» увеличило их массу всего на 40 г при неизменившейся потребляемой мощности.

Наклонные вращающиеся плоскопараллельные пластинки применяются в качестве ска­нера и в ИКС, разработанной фирмой «AEG Infrafot-Module GmbH» (Германия) [98]. В этой системе используется МПИ на базе КРТ формата 384×288 пикселов размером 24 мкм

И с микросканированием 2×2 пиксела (рис. 9.8). При частоте кадров 25 Гц и времени нако­пления до 2 мс здесь образуется выходное изображение формата 768×576, т. е. микроскани­рованием увеличивают разрешение вдвое. Для уменьшения влияния различий во временах накопления четырех субизображений в течение каждого из субпериодов, что является од­ним из недостатков схемы с микросканированием, в этой системе выбрана траектория ска­нирования, показанная на рис. 9.8,6. Частога вращения диска с пластинками (рис. 9.8,6), равная 50 Гц, синхронизирована с частотой видеосигнала. Всякий раз, когда плоскопарал­лельная пластинка находится перед окном дьюра с ФПУ в одной из четырех позиций, сис­тема синхронизации выдает синхроимпульс в блок обработки изображений, подающий ко­манду для начала накопления зарядов пикселами формата 384×288. После накопления сиг­налы считываются и производится коррекция неоднородности. Затем, получив четыре от­корректированных кадра от ФПУ, полное изображение формата 768×576 пикселов возвра­щается в быстродействующий процессор — блок обработки изображения.

Описанная в [98] система показала на практике возможность очень хорошей кор­рекции неоднородности отдельных элементов ФПУ, что принципиально важно для сис­тем с микросканированием. Значение ЛГП не превышало 20 мК при времени накопления 1 мс и диафрагменном числе объектива К = 2. Доля пикселов, для которых ДГП > 18,2 мК, составила 0,16%.

МИКРОСКАНИРОВАНИЕ

А) б) в)

Рис. 9.8. Схемы микросканирования:

А) микросканер — вращающаяся перед МПИ наклонная плоскопараллельная пластинка;

Б) микросканер из четырех наклонных плоскопараллельных пластин, размещенных на вращающемся диске; в) траектория сканирования, используемая для сокращения разницы во

Временах накопления соседних пикселов; 1 — плоскопараллельные пластины, 2 — МПИ,

3 — чувствительный слой (активный элемент) пиксела, 4 — мгновенное положение субизображения, 5 — вращающийся диск, СИ1 …СИ4 — положения центров четырех субизображений

В [171] описывается малогабаритная камера на микроболометре формата 320×240, ра­ботающая в средневолновом ИК-диапазоне. В ней использован объектив переменного увеличения (до 20х), многоточечная система коррекции неоднородности, а также система микросканирования на двух зеркалах, колеблющихся в двух взаимноперпендикулярных плоскостях с помощью пьезоэлектрических приводов. Микросканирование позволяет увеличить разрешение до 7,6 период/мрад при первоначальном (без микросканирования) значении частоты Найквиста 4,5 период/мрад. На пространственной частоте 1 пери­од/мрад минимальная разрешаемая разность температур камеры составляет менее 50 мК.

Еще одним примером ИКС «смотрящего» типа с микросканированием является раз­работка фирмы «Cincinnati Electronics Corporation» — система на базе МПИ из InSb формата 256×256 элементов с коэффициентом заполнения 0,25 [129]. Четырехпозици­онное микросканирование позволило при сохранении шага элементов МПИ 30 мкм и фокусного расстояния 250 мм увеличить частоту Найквиста с 4,16 мрад“1 до 8,33 мрад”1. При этом частота кадров сохранилась равной 30 Гц. Минимальная разрешаемая раз­ность температур Д7Р на частоте Найквиста 8,33 мрад-1 составила 100 мК.

PostHeaderIcon ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Частотная характеристика цифровых фильтров, применяемых в ИКС «смотрящего» типа, представляет собой набор узких полос пропускания. Эти фильтры улучшают ка­чество изображения, поскольку устраняют влияние размытия изображения, имевшего место перед выборкой за счет предварительной пространственной фильтрации, воз­можного смаза и шумов, а также частично реконструируют изображение, тем самым подчеркивая контур изображения при использовании цифровой интерполяции [232].

Чтобы цифровой фильтр обеспечивал большую плотность отдельных выборок сиг­нала, нежели цифровое изображение ^ (*,>’) (см. рис. 9.1), т. е. расстояние между по­лосами пропускания гребенчатого фильтра было меньше частоты выборки, определяе­мой периодом пикселов МПИ, его действие должно сводиться к интерполяции для ре­конструкции изображения. Например, для перехода от сигнала (цифрового изображе­ния) вида […111555…] к сигналу […101010505050…], т. е. к изображению с вдвое большей периодичностью, фильтр должен иметь импульсную реакцию вида

£*(‘) = -^[-00012221000…].

В результате фильтрации образуется изображение с вдвое большей плотностью, не­жели входной сигнал, т. е.

Sg() = […1111234555…].

Если представить импульсную реакцию фильтра #ф(-) в виде решетчатой функции, имеющей R элементов на один пиксел, т. е. принять координаты элементов фильтра равными номерам пикселов п„, поделенным на Я (плотность фильтра), то в одномерном представлении цифровое отфильтрованное изображение будет описываться суммой

К7 *] = 2 ["к* к1к ~ А,

И’=—00

Т. е. сверткой импульсной реакции фильтра £ф(-) с изображением л^(-), равной нулю в точках между пикселами. Поскольку на практике пределы ^х(-)и gф(’) ограничены, то

И 5Й(-) ограничено конечным значением числа пикселов ип.

В общем случае при плотности К частотная характеристика фильтра <7ф(/£, /у) перио­дична с периодом, равным произведению Я и частоты выборки изображения (/ЪЪ1&Х, и у). Спектр отфильтрованного изображения 5Д/Х,/,) = £«(/,,/,)-Сф(/х>/,) имеет

Период, равный этому произведению Плотность пикселов отфильтрованного изображе­ния сохраняется той же, что у фильтра.

При увеличении плотности фильтра Я эффективность последующей реконструк­ции сигнала может снизиться. В пределе при росте Я фильтр становится аналого­вым, а импульсная реакция блока реконструкции gp(•) — дельта-функцией. Хотя уве­личение Я улучшает качество реконструкции, возрастает сложность вычислений за счет увеличения требуемого их объема, который может быть оценен произведением ЫК, где N — число пикселов изображения, К — число элементов (полос) цифрового фильтра [47].

PostHeaderIcon РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Для формирования аналогового изображения отфильтрованный после выборки сиг­нал необходимо пропустить через реконструирующий фильтр с частотной характери­стикой Срчтобы получить изображение со спектром, как можно более близким к спектру исходного сигналаЬ([х,/у) или его изображения после объектива^ ([х,/у)-

В зависимости от конкретного применения блок реконструкции может представлять собой аналоговое оптическое устройство, например дисплей или монитор в совокупно­сти со зрительным аппаратом человека-наблюдателя, или устройство для цифровой об­работки сигналов, например билинейный интерполятор, используемый для геометриче­ской коррекции, масштабирования, поворота и других геометрических преобразований, часто снова требующих выборку [47]. (На рис. 9.1 блок реконструкции и система ото­бражения показаны в виде отдельных звеньев.)

Описывая линейные преобразования сигнала в оптической системе и ФПУ произведе­нием передаточных функций (частотных характеристик) оптической системы Сопт (/х,/у) и приемника Сэ &,/>) и пренебрегая сверткой произведения ОФПу (/х,/у) = <л, пт (4/^)Сэ (£,/у) и спектра Я что допустимо при больших числах тип элементов МПИ, выполняющих выборку по осям х и у, а также действием цифрового фильтра, можно показать, что на выходе реконструирующего фильтра спектр сигнала будет иметь вид

Я, (/х ■ /у ) = 2 X ’ Л )°Ф1ГУ (Л * Л) ехр Н [(/х — и/внбЛ )6х + {/у — т/т6у )еу } ,

П—ос т=оо

Где/х и/у- пространственные частоты по осям х и у, соответственно; /вы6 х и/лы^у — час­тоты выборки по осям х и у, соответственно; 0Х и 0У, — фазовые (пространственные) сдвиги координат точек выборки относительно начал координат по осям хи^, соответ­ственно; пит — число выборок по осям х и у, определяемые форматом МПИ.

После реконструирующего фильтра с передаточной функцией Ср (/х,/у) спектр сиг­нала будет иметь вид [61, 143 и др.]

«, (/„ /,)=£(/„/, )от,(/„Л) о„(/,./,)+Ч(/..Л)ЁЕс^«-. ±Л>

Т=оо

(здесь для упрощения записи фазовые сдвиги 0Х и 0Д, не учитываются).

Первое слагаемое в правой части этого выражения, соответствующее п, т = 0, описы­вает линейно преобразованный спектр изображения Ь (/*, /у), не искаженный редукцией частот (наложением спектров), а второе — возникающие из-за выборки побочные (лож­ные) изображения, которые при реконструкции сигнала желательно устранить. Процесс реконструкции сводится к такой фильтрации выходного сигнала 5и(д; >*) или его спектра Би(/х> /у), когда побочные изображения, т. е. их спектры, максимально подавлены. На рис. 9.9 представлен пример, когда побочные спектры полностью не подавлены и в реконструи­рованном изображении наблюдаются шумы пространственной дискретизации.

РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯПри реконструкции изображения размер пятна рассеяния системы отображения (дисплея, монитора) подбирается таким, чтобы обеспечить качественное воспроизведе­ние как однородных по яркости участков отображаемой сцены, так и участков с резки­ми ее перепадами. Обычно действие дисплея оценивается гауссовской моделью рас­пределения яркости в пятне рассеяния (см. гл. 11).

РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

А) б)

Рис. 9.9. Основной сигнал и побочные спектры до (а, £ и 5") и после (б, 5р) реконструкции с

Помощью фильтра с частотной характеристикой Ср.

Для реконструкции обычно используются такие алгоритмы, как билинейная и куби­ческая свертка, алгоритм ближайшего соседа, и ряд других [47].

Поскольку передаточная функция оптической системы Сот(/х, [у) представляет собой монотонно убывающую функцию пространственных частот, а пространственно­частотные спектры фонов, на которых обычно наблюдаются обнаруживаемые или рас­познаваемые объекты, имеют наиболее мощные составляющие на близких к нулю про­странственных частотах, часто для подавления этих фонов и с учетом выборки реко­мендуется иметь частотную характеристику реконструирующего фильтра вида

РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Качество обработки сигнала и, в частности, его реконструкции можно оценить ко­личественно, если определить расхождение между исходным изображением Ь(х, у) или $т(х, у) и изображением на выходе яи(х, у). При случайном характере просматриваемого поля (сцены) и шумов дисперсия этого расхождения определяется как

= ^Лху)-*ш{х*у$<ыу= /Л(/*>/,)-(/*> Л )ГЛФ-

— со — со

РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Где о] — усредненная по ансамблю дисперсия яркости сцены.

Этот критерий и средняя квадратическая оценка достаточно условны, посколь­ку не совсем точно характеризуют процесс распознавания образов человеком — наблюдателем или ИКС. Тем не менее они полезны при сопоставлении различных ал­горитмов и систем, используемых на практике.

Рассмотренные в гл. 4 показатели эффективности работы ИКС, предназначенных для решения задач по обнаружению, распознаванию, классификации и идентификации, зависят от качества изображений, получаемых с помощью ИКС. Поскольку в системах с выборкой это качество зависит от соотношения между граничной пространственной частотой в спек­тре изображения и частотой выборки, представляет интерес сопоставить традиционные критерии пространственного разрешения требованиями к параметрам выборки. В [ИЗ, 114] приведены результаты такого сопоставления для различных видов реконструирующих фильтров применительно к задачам обнаружения, распознавания и идентификации при га­уссовском законе распределения сигнала до его выборки. Была подтверждена эффектив­ность критериев Шаде и Лего (см. п. 4.2.1), а также получены рекомендации по выбору оп­тимальных соотношений между размером гауссовского изображения и пространственным периодом его выборки для трех видов импульсных реакций реконструирующих фильтров: гауссовской, прямоугольной и прямоугольной с предшествующей интерполяцией. В двух последних случаях учитывалась импульсная реакция глаза наблюдателя.

PostHeaderIcon СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА

Схемы и конструкции программно-аппаратных блоков (электронных трактов) ИКС конкретного назначения могут существенно различаться. Вместе с тем большинство из них содержат узлы, выполняющие однотипные операции по приему и обработке сигна­лов, снимаемых с элементов МПИ. На рис.10.1 приведена типовая структурная схема электронного тракта ИКС «смотрящего» типа.

Первичная обработка сигнала производится в ФПУ, включающем МПИ и схему считывания (СС). Последняя содержит накопительные ячейки, предварительные усили­тели, схемы выборки и хранения сигналов на время их считывания, а также мультип­лексор, который необходим для уплотнения сигналов во времени, чтобы свести к ми­нимуму число выходов с ФПУ. Схема считывания может иметь сотни тысяч и миллио­ны отдельных ячеек соответственно числу опрашиваемых элементов МПИ.

Во многих современных ФПУ обработка сигналов, считываемых с отдельных эле­ментов МПИ, оказывается более сложной, поскольку может включать, например, двойную коррелированную выборку, временную задержку и интегрирование при ска­нировании или микросканировании, защиту схемы считывания от насыщения, вычи­тание из суммарного сигнала (от объекта и фона) среднего значения сигнала от фона. Перечисленные процессы особенно важны при работе ИКС в условиях малого кон­траста между объектом и фоном (в диапазонах 3…5 и 8…14 мкм) и особенно для схем считывания на базе ПЗС, у которых накопительная емкость ячеек считывания невелика. Это объясняется необходимостью, с одной стороны, увеличивать время на­копления сигнала и, с другой — не допускать переполнения потенциальных ям Гос­структуры. В результате усложняется ФПУ, но зато существенно упрощается после­дующий электронный тракт обработки сигналов. Возможные схемы реализации этих методов описаны в литературе [7, 51, 143, 151 и др.].

Схема управления охлаждением, термостабилизацией и контролем однородности

Г‘

Пульт ручного управления коэффициентами усиления, смещения и

Электронным

Масштабированием

Аналоговый видеосигнал (РАЦ 1МТ8С)

Я

(X

О

О

О

А

О

Си

К

О

О

§

Га

І

Сигнальный

Процессор:

— цифровая кор­рекция неодно­родности;

— коррекция де­фектных пикселей;

— формирование цветного цифро­вого видеосигнала;

— электронное масштабирование;

И др.

МПИ

І і 1 1

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ &#171;СМОТРЯЩЕГО&#187; ТИПА

Ячейки

Накопления

 

Аналоговый

Корректор

Неоднородности

 

Предварительные

Усилители

 

Схемы выборки и хранения сигнала (схемы формирования двойной коррелированной выборки)

 

ЦАП

 

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ &#171;СМОТРЯЩЕГО&#187; ТИПА

4 ■

Г 1

Г 1

Г

Мультиплексор

Схема считывания

 

II

Оперативное

Запоминающее

Устройство

 

ФПУ

 

Синхрогенератор

1ІІ1І

Блок питания

Рис. 10.1. Типовая структурная схема электронного тракта ИКС

На чувствительные элементы МНИ от внешнего источника подается напряжение питания, которое может быть постоянным или импульсным. В последнем случае ис­точник питания тактируется импульсами, поступающими от синхрогенератора, кото­рый и управляет работой электронного тракта.

При использовании охлаждаемых МПИ рабочая температура ФПУ обеспечивается системой криогенного охлаждения, а при неохлаждаемых МПИ — термостабилизацией.

Если в ИКС применяется межкадровая обработка изображений (накопление, вычи­тание и др.), обычно требуется осуществлять выборку и запоминание во времени сиг­налов, получаемых от каждого из последовательно формируемых кадров, перед их счи­
тыванием мультиплексором. Чаще всего для выполнения этих операций используют ключи на базе полевых МОП-транзисторов, фиксирующие конденсаторы и буферные усилители с коэффициентом усиления, близким к единице, которые формируются в од­ном чипе с другими звеньями СС.

Схемы считывания создаются на основе хорошо освоенной кремниевой технологии на базе ПЗС — или комплементарных МОП-структур (КМОП-транзисторов), что позво­ляет обеспечивать высокое разрешение, хорошую чувствительность и малое энергопо­требление. Сравнительный анализ кремниевых схем считывания и мультиплексоров на ПЗС — и МОП-структурах проводился неоднократно [23, 161 и др.].

Схемы на полевых КМОП-транзисторах, которые в последнее десятилетие стали широко применять вместо ПЗС, позволили увеличить полосы пропускания частот, ли­нейность преобразования накопленных зарядов в видеосигнал и отношение сигнал — шум, а также реализовать ряд дополнительных операций по первичной обработке при­нимаемых сигналов. Современная технология обеспечивает больший процент выхода бездефектных КМОП-структур, обладающих хорошей однородностью по кристаллу. Эти структуры успешно работают в широком диапазоне температур (выдерживают ох­лаждение до 10 К и ниже), позволяют работать на высоких частотах вывода данных (десятки мегагерц) и имеют малые габариты.

Полевые КМОП-транзисторы, которые обычно считывают сигналы с пикселов МПИ построчно в параллельном режиме и, как правило, со схемой обработки сигнала, раз­мещенной в каждом столбце матрицы, позволяют заметно разнообразить конструкции схем считывания по сравнению со схемами на ПЗС-структурах. После аналоговой об­работки (выборки и хранения) полученные данные мультиплексируются в АЦП по не­скольким каналам. В ПЗС-структурах происходит последовательная обработка сигна­лов, причем результирующий одноканальный видеосигнал при одинаковых требовани­ях к частоте кадров должен иметь намного большую частоту выборки пикселов. Элек­тронный тракт современных ИКС, выполняющий обработку сигналов с выходов эле­ментов МПИ, позволяет получить на выходе аналоговый видеосигнал или цифровой сигнал с разрешением до 14… 16 бит.

КМОП-структуры, создаваемые в том же кристалле (чипе), что и МПИ на базе КМОП, позволяют заметно уменьшить стоимость и размеры ФПУ; в них использует­ся меньшее число источников питания, чем в ПЗС-структурах; они не требуют повы­шенных напряжений, которые необходимы для систем считывания на ПЗС; потреб­ляемая ими мощность меньше. Однако объединение приемника и аналоговой схемы обработки в одном кристалле усложняет задачу снижения уровня шума, в частности шума выборки (АТС-шума), появляющегося при разряде конденсатора узла считыва­ния. Последовательный процесс считывания в ПЗС-структурах позволяет почти пол­ностью избавиться от шума выборки, применяя схемы двойной коррелированной вы­борки (см. §10.4). Поэтому ФПУ на ПЗС, обладающие меньшими геометрическим шумом и темновым током, а также высокой чувствительностью, до сих пор широко применяются в большом числе ИКС, используемых, например, в научных исследова­ниях и медицине.

В настоящее время при работе ИКС в спектральных диапазонах 3…5 и особенно

8.. . 14 мкм, где поток излучения фона обычно велик, предпочтение отдается КМОП — структурам, поскольку емкость потенциальных ям в ПЗС сравнительно невелика, что ведет к их переполнению.

На выходе мультиплексора помимо полезного сигнала имеются временной (т. е. за­висящий от времени) и инвариантный во времени геометрический шумы. Последний обусловлен неоднородностью параметров чувствительных элементов МПИ и схемы считывания, и его амплитуда обычно во много раз превышает амплитуду полезного сигнала. Для снижения геометрического шума до приемлемого уровня производится специальная обработка сигнала — так называемая компенсация или коррекция неодно­родности, которая может выполняться до преобразования аналоговых сигналов в циф­ровые.

На первой стадии такой обработки в вычитающем усилителе из сигналов, посту­пающих со схемы считывания, вычитаются индивидуальные для каждого пиксела значения постоянной составляющей — пьедестала. Для этого на инвертирующий вы­ход вычитающего усилителя подается напряжение с выхода цифро-аналогового пре­образователя (ЦАП), управляемого цифровым сигнальным процессором. Разностный сигнал преобразуется АЦП в цифровой сигнал и затем обрабатывается цифровым сигнальным процессором. Разрядность такого преобразования во многих современ­ных ИКС должна быть порядка 12… 14 бит при частоте выдачи данных до 10 МГц, а иногда и до 20 МГц. При этой обработке выполняются более точная компенсация не­однородности, коррекция дефектных пикселей, автоматическая регулировка яркости и контрастности, электронное масштабирование изображения, после чего формирует­ся цифровой видеосигнал. При периодически повторяемых процедурах калибровки сигнальный процессор рассчитывает значения коэффициентов коррекции, которые затем сохраняются в ОЗУ.

Режимами работы сигнального процессора, а также параметрами видеосигнала, та­кими как яркость, контрастность, коэффициент электронного масштабирования и др., управляют с пульта управления. Цифровой видеосигнал с помощью видеопроцессора преобразуется в стандартный аналоговый видеосигнал PAL или NTSC.

PostHeaderIcon НАЗНАЧЕНИЕ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛОВ

Основными параметрами звеньев, осуществляющих выборку и хранение сигналов, являются время установления рабочего режима и уровень шума. Первый обусловлен временем, необходимым для накопления (или съема) заряда на фиксирующем конден­саторе, а также емкостью предусилителя или буферной цепи, находящейся перед клю­чом, осуществляющим выборку. Шум цепи выборки и хранения определяется тепловым шумом (АТС-шумом) фиксирующего конденсатора; он должен быть гораздо меньшим, чем шум на выходе предшествующего предусилителя.

Поскольку в большинстве современных ИКС схема считывания составляет единое целое с МПИ, образуя фотоприемное устройство (ФПУ), многие из параметров и ха­рактеристик МПИ, рассмотренных в §7.2 и 7.3, относятся к ФПУ в целом, т. е. и к схеме считывания. Одним из важнейших показателей качества СС, определяющих достижи­мое на ее выходе отношение сигнал-шум, является эквивалентный шуму заряд за время кадра Исс, характеризующий шум всей СС. Этот параметр измеряется числом электро­нов, приходящих на вход и образующих за время кадра или выборки сигнал, при кото­ром отношение сигнал-шум в определенной полосе частот на выходе схемы равно еди­нице. Связь Л/сс и пороговой облученности Еп элемента МПИ определяется по формуле

Еп ^сс I СП^пи^н)»

Где г|9 — квантовая эффективность приемника; Ат — площадь чувствительного слоя эле­мента МПИ; *и — время накопления (интегрирования заряда).

Сегодня в ряде ИКС 7УСС достигает единиц (до десятка) электронов при работе в спек­тральном диапазоне до 5 мкм и 30…50 электронов при работе в диапазоне 8… 14 мкм. Однако типичные значения Л^сс составляют сотни и даже тысячи электронов.

При временах накопления более 100 мс, т. е. при работе с малыми потоками, попа­дающими на приемник, в схемах считывания весьма заметен М/-шум. Обычно из-за его влияния приведенное ко входу число шумовых фотоэлектронов прямо пропорциональ­но времени интегрирования сигнала.

Другими составляющими шума СС могут быть белый шум входной цепи (предуси­лителя) и шум устройств сброса или установки нулевого положения. Первую из них можно снизить, уменьшив накопительную емкость, а вторую, возникающую при уста­новке начального напряжения на емкости и пропорциональную С, где С — ем­кость, Т — температура, к — постоянная Больцмана, — с помощью двойной коррелиро­ванной выборки (см. §10.5).

Важным показателем качества СС является динамический диапазон сигналов, огра­ничиваемый снизу значением Ысс, а сверху — максимальным сигналом (зарядом), вызы­вающим насыщение СС, в частности переполнение ячейки накопления зарядов. Этот параметр определяет возможности реализации различных схем обработки сигналов, снимаемых с отдельных элементов МПИ, например схем коррекции неоднородности или межкадровой обработки изображений.

Насыщение ячеек СС может привести к ухудшению пространственного (геометро­оптического) разрешения ФПУ и ИКС в целом, т. е. к ухудшению пространственно­частотных и температурно-пространственных характеристик, а также к размытию фор­мируемых на выходе ИКС изображений. То же наблюдается при больших перекрест­ных связях между ячейками СС.

С динамическим диапазоном тесно связаны линейность рабочей характеристики СС, коэффициент усиления сигналов и сохранность линейности при изменении уровня сигналов, снимаемых с МПИ, также определяющие возможности калибровки и коррек­ции неоднородности чувствительности отдельных элементов МПИ. Для ряда СС эти параметры зависят от входного импеданса схемы считывания (или ее первых звеньев — предусилителей сигнала), изменение которого в процессе работы ФПУ может заметно сказаться и на шумах СС, а не только на динамическом диапазоне и линейности рабо­чей характеристики.

Многие электрические и технико-экономические параметры СС и отдельных их звеньев зависят от технологии изготовления элементов. В частности, достижимые раз­меры некоторых элементов СС определяют формат многих современных МПИ и ФПУ на их основе. А от этого, в свою очередь, зависит пространственное и энергетическое разрешение многих ИКС «смотрящего» типа.

Наконец, для систем с охлаждаемыми ФПУ очень важно значение рассеиваемой в СС мощности, отводимой от охлаждаемой конструкции. Этот показатель тесно связан с такими параметрами устройств охлаждения, как время их наработки, время выхода на рабочий режим (температуру), масса.

PostHeaderIcon ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Чтобы обеспечить прием сигналов, соответствующих большим перепадам освещен­ности в изображении, и необходимые пределы корректировки неоднородностей чувст­вительности отдельных элементов МПИ, транзисторный предусилитель схемы считы­вания должен иметь достаточно большой динамический диапазон усиления. Обычно именно предусилитель является основным источником шума схемы считывания, зави­сящего от сопротивления источника входного сигнала — чувствительного элемента МПИ.

Наиболее распространенные схемы включения чувствительных элементов на вход предусилителей представлены в табл. 10.1 [151]. В силу разнообразия типов приемни­ков излучения чувствительный элемент МПИ в табл.10.1 изображен в виде кружка.

Схема 1, в которой заряды накапливаются на собственной емкости приемника, наи­более проста и содержит наименьшее число элементов. Выборка сигнала происходит в моменты замыкания ключа мультиплексора, т. е. когда в конце каждого кадра накопи­тельная емкость «очищается». Эквивалентная шумовая схема включения такого преду­силителя показана на рис. 10.2, где Яэ, Сэ — сопротивление и емкость элемента МПИ; RBX, Свх — входное сопротивление и емкость усилителя; Уш, /ш — генераторы, модели­рующие шумовые напряжение и ток.

Вместо полевого МОП-транзистора в предусилителе могут использоваться полевые транзисторы с управляющим />-и-переходом или биполярные транзисторы, первые — при необходимости получить малое значение эквивалентного шумового тока /ш (для высокоомных приемников, например для кремниевых фотодиодов, приемников на базе силицида платины), а вторые — малое значение эквивалентного шумового напряжения (для низкоомных приемников, например, фоторезисторов на базе КРТ).

Таблица 10.1

Типовые схемы предусилителей, применяемых в схемах считывания сигналов ФПУ

ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Схема 2 с буферным усилителем после приемника позволяет с помощью мульти­плексора считывать сигналы в виде на­пряжений, а не токов, как в схеме 1. В простейшем случае в качестве буферного усилителя может быть использован рези­сторный трансимпедансный усилитель (РТУ), преобразующий входной сигнал в виде тока в напряжение на выходе. Этот усилитель не накапливает заряд во время кадра, а выдает непрерывный сигнал в ви­де напряжения, амплитуда которого про­порциональна входному току (фототоку).

Рис. 10.2. Эквивалентная схема включения элемента на вход СС

подпись: 
рис. 10.2. эквивалентная схема включения элемента на вход сс
Если ранее РТУ в виде отдельного элемента мог использоваться в системах с относи­тельно небольшим числом элементов МГТИ, то в настоящее время РТУ, изготавливае­мые виде на одном чипе со схемой выборки и хранения сигналов и мультиплексором, успешно применяются в ФПУ больших форматов.

При выборе параметров схемы с РТУ важно подобрать такое сопротивление в цепи обратной связи, которое одновременно обеспечивает минимальный тепловой шум и достаточный коэффициент усиления схемы.

ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ

Рис. 10.3. Схема выборки и хранения, обеспечивающая запоминание кадра в ячейке

подпись: рис. 10.3. схема выборки и хранения, обеспечивающая запоминание кадра в ячейке

5 сх £ о Я о

4> ЬЙ М и

* К

* Е ю я

О й

СО Е?

Г — 2 § § « ^ г

подпись: 5 сх £ о я о
4> ьй м и
* к
* е ю я
о й
со е?
г- 2 § § « ^ г
Наличие ключа в цепи приемника объясняется тем, что мультиплексор не может снимать сигнал через буферный усилитель. Аналогичная, но более подробная схема на рис. 10.3 состоит из транзисторного ключа сброса, истокового повторителя и ключа выбора строк. В этой схеме коэффициент усиления истокового повторителя на полевом МОП-транзисторе выбирается близким к единице, т. е. здесь, как и в схеме 1, не проис­ходит усиления сигнала в ячейке накопления. Накопительная емкость определяется ем­костью чувствительного элемента МПИ и входной емкостью транзисто­ра-повторителя. Такая схема эффек­тивна при малом сопротивлении при­емника, когда его вклад в общий шум пренебрежимо мал.

Иногда для обеспечения широкой полосы пропускания, что важно, на­пример, для работы со слабыми сиг­налами в средневолновом ИК-диапа- зоне, используется не резисторный трансимпедансный усилитель, а емко­стной [102].

В обеих рассмотренных схемах (1 и 2 табл. 10.1) напряжение смещения на элементе МПИ изменяется в про­
цессе накопления зарядов. Это приводит к нелинейности выходной характеристики (напряжения на выходе схемы) в тех случаях, когда выходной сигнал приемника зави­сит от напряжения смещения.

В схеме на рис. 10.3 ячейка считывания содержит только три транзистора, что по­зволяет сделать ее размеры небольшими и применять в ФПУ больших форматов.

Несмотря на то, что КМОП-технология, используемая при изготовлении таких схем, хорошо освоена, следует учитывать, что в этом случае шумы считывания сравнительно велики, поскольку из-за интегрирования чувствительного элемента со схемой считыва­ния невозможна двойная коррелированная выборка (см. §10.4). Кроме того, в таких схемах может возникнуть проблема так называемой задержки изображений, хотя суще­ствуют и способы ее разрешения [161].

В схеме 3 (см. табл. 10.1) предусилитель с большим коэффициентом усиления охва­чен цепью емкостной обратной связи, в которой и происходит накопление заряда. Из­менение заряда приводит к небольшим изменениям сигнала на входе дифференциаль­ного усилителя. Это позволяет стабилизировать напряжение смещения в цепи прием­ника и линеаризует рабочую характеристику схемы. Поскольку в такой схеме коэффи­циент усиления регулируется цепью обратной связи, а не приемника, здесь можно ис­пользовать большое усиление сигнала перед его мультиплексированием. Однако схема требует гораздо больше места в чипе, чем две первые.

Схема 4 с прямой инжекцией предназначена для работы с низкоомными приемни­ками излучения. Используемый в ней полевой МОП-транзистор помогает сохранить напряжение смещения постоянным. Накапливаемый заряд интегрируется на емкости, включенной в цепи стока транзистора и определяющей коэффициент усиления, кото­рый, как и в схеме 3, может быть сделан достаточно большим. Эта схема, по своей компактности уступающая только схеме 1, давно используется как входная для ПЗС — матриц при средних и больших облученностях МПИ, когда обеспечивается стабильное напряжение смещения на приемнике. В разработках компании «Рауйгеоп» емкость от­дельной ячейки СС достигает 5 • 107 электрон. Разрабатываются схемы с емкостью до 108 электрон [99]. При малых уровнях тока на выходе приемника входной импеданс схемы резко возрастает, что приводит к нестабильности смещения до нескольких де­сятков милливольт, увеличивающей геометрический шум таких ФПУ и неоднород­ность темновых токов отдельных элементов, а также к снижению числа накапливаемых зарядов.

Схема 5 с прямой инжекцией, усиленной с помощью обратной связи, включает ин­вертирующий усилитель, помещенный между цепью приемника и затвором МОП — транзистора. Это уменьшает входной импеданс при работе с фоном, создающим малую облученность, что и определяет область применения этой схемы. Как и в схеме 1, на выходе схем 4 и 5 может быть включен буферный усилитель для преобразования сиг­нала в виде тока (заряда) к напряжению.

При очень больших облученностях приемника не удается собрать все образующиеся заряды в одну ячейку с ограниченной емкостью (вместимостью). В таких случаях сум­мируемый заряд перед интегрированием необходимо ограничить предусилителем тока с нагрузкой в виде МОП-транзистора, источником питания которого служит приемник (см. схему 6, иногда называемую схемой с зеркальным отображением). В схеме 7 с на­грузочным сопротивлением в цепи приемника решается та же задача, т. е. уменьшается заряд, поступающий на вход полевого МОП-транзистора и накапливаемый на интегри­рующей емкости. К сожалению, схемам 6 и 7 присуща та же нестабильность напряже­ния смещения, что и схемам с прямой инжекцией.

Схема 8 подобна схеме 3, но здесь емкость обратной связи и ключ заменены рези­стором, а заряд, образующийся в приемнике, не накапливается непрерывно, а снимает­ся в виде пропорционального ему выходного напряжения. Поскольку при этом не про­исходит «очистки» ячейки после съема (выборки) сигнала, верхний предел частотной характеристики такой схемы ограничен. Кроме того, в ней необходимо использовать высокоомную обратную связь для получения достаточно большого усиления, такого, например, как в схеме 3. Большое сопротивление резистора обратной связи требует увеличения его площади для уменьшения 1/^шума и дрейфа, что сопровождается уве­личением площади ячейки схемы считывания и затрудняет увеличение разрешения и формата ФПУ.

Ряд рассмотренных схем более подробно проанализирован в [122, 151]. В [122] при­водятся формулы и график для расчета и выбора уровня шума (среднего квадратиче­ского значения числа «шумовых» электронов), интегрирующей емкости, коэффициен­тов преобразования «заряд (фотоэлектроны) — напряжение» и некоторых других пара­метров СС в зависимости от отдельных параметров элементов, входящих в состав рас­смотренных схем.

Многие фирмы, ведущие разработку МПИ и ИКС на их основе, выпускают стан­дартные схемы считывания. В качестве примера в табл. 10.2 приводятся технические характеристики стандартных микросхем считывания компании «Indigo Systems» (США), которые могут использоваться с МПИ на основе InSb, KPT, ФКЯ и работать в режимах как одновременного накопления, так и последовательного накопления и счи­тывания. Считывание, направление которого по строкам и столбцам может изменяться на противоположное, может осуществляться как для всех пикселов, так и для части кадра (субкадровые режимы). При этом части пикселов задается формат и положение субкадра. Число выходов может устанавливаться равным 1, 2 или 4. Во всех микросхе­мах можно регулировать напряжения смещения приемников, коэффициенты усиления и вычитать из тока всех пикселов постоянное значение. Микросхемы имеют встроен­ный температурный датчик и могут работать в интервале температур 80…300 К.

Для всех этих микросхем предусмотрены режим фиксирования мгновенного состоя­ния, умножение на 1; 1,3; 2; 8, а также два режима накопления: «накопление при счи­тывании» (Opt. l) и «накопление, а затем считывание» (Opt.2). Коэффициент усиления можно регулировать в диапазоне двух бит. Режимами считывания являются инвертиро­вание (строк), реверсирование (столбцов), инверсия (строк-столбцов) и повтор строк. Для управления напряжением смещения на чипе используют напряжение смещения датчика (7 бит), а также регулировку напряжений питания (2 бита) и основного смеще­ния (3 бита). Кроме того, все микросхемы имеют эталонный выход.

Технические характеристики стандартных микросхем

Характеристики

КС 9801 Орг. 1-2

КС 9806 Ори-2

Формат матрицы

128×128

128×128

Шаг пикселов, мкм

30

38

Время накопления, мкс

>5

>5

Рабочая температура, К

80 (до 310)

80 (до 310)

Входная цепь

Прямая инжекция

Прямая инжекция

Полярность входа

Р-на-«

Р-на-п

Диапазон смещения на датчике, В

-0,15

…0,5

-0,15.

.0,5

Разрешение смещения на датчике, мВ

<

5

/?оА т (миним.), Ом-см

1хЮ3

1хЮ3

Емкость датчика (максимальная), пФ

0,5

0,5

Варианты схем

ОрМ

Ор1.2

Ори

Ор1:.2

Объем хранения:

1 (при минимальном усилении)

6,9-10б

18-106

6,9-10б

39-10б

2

5,2-10б

13-Ю6

5,2-10б

29-106

3

3,4-10б

8,8-10б

3,4-10б

19-106

4 (при максимальном усилении)

1,9-10б

4,9-10б

1,9-10б

10-106

Входной ток:

Минимальный, пЛ

20

20

Номинальный, нЛ

1

1

Максимальный, нА

10

10

Минимальное время накопления, мкс

5

Варианты схем

ОРи

Ор1:.2

Ори

ОрО

Среднее квадратическое значение шума, электрон, при усилении:

Минимальном

<450

<1200

<450

<1500

Максимальном

<300

<1100

<300

<1400

Выходное напряжение, В

3

3

Выходной интерфейс:

/?, кОм

>100

>100

С, пФ

25

25

Рабочая частота пикселов, мГц

10

10

Полная частота кадров, Гц:

1 выход

480

480

2 выхода

800

800

4 выхода

1200

1200

Мощность, мВт:

1 выход

25

25

4 выхода

105

105

* Рассчитанное значение

ISC 9705

ISC 9803 Opt. 1-2

ISC 9901 Opt. 1-2

18С 9809

320×256

640×512

640×512

320×256

30

25

20

30

>5

>9,6

>100

>0,5

80 (до 310)

80 (до 310)

80 (до 310)

80 (до 310)

Прямая инжекция

Прямая инжекция

Прямая инжекция

СПА

Р-на-«

Р-на-п

Р-иа-п

Р-на-п или п-на-р

-0,1…0,5 0,5 (вплоть до 0,8)

0..

0,5

0..Д5

0…2,5

5

5

5

Внешнее управление

1*103

1хЮ3

1х103

1хЮ3

0,5

0,5

0,5

0,1

Opt. l

Opt.2

Opt. l

Opt.2

18-106

13.5- 106 9-10б

4.5- 10б

11,2-10* 8,4-10б 5,6-10б 2,8-106

3,2-106 2,4-106 1,6-10* 0,8-10б

7-10б 5,2-106 3,5-106 1,8-10*

3-106 2,3-106 1,5-106

0,75-10*

3,5 106 Отсутствует Отсутствует 170-10

20

1

10

1

1

10

1

1

10

Отсутствует Отсутствует Зависит от /н

5

9,6

«100

0,5

Opt. l

Opt.2

ОРи

Ор1.2

<1800

<1300

<550

<350

<250

<250

<350

<200

<300*

<300*

<700

<70

3

2,5

2,5

2,8

>100

25

>100

25

>100

25

>500

25

10

10

10

10

110

202

346

30

58

107

30

55

97

110

201

346

30

120

90

180

90

180

90

150

Таблица 10.2

Считывания компании «Indigo Systems»

подпись: считывания компании «indigo systems»

Приведенные в табл. 10.2 значения шумов соответствуют средним квадратическим числам шумовых электронов в секунду. Измерение и анализ среднего квадратического значения шума проводились для рабочей температуры 80 К, за исключением микро­схем ISC 9809, для которых шум измерялся при времени накопления (интегрирования) tH= 16 мс и температуре 300 К.

Технические характеристики (требования) схем считывания, разрабатываемых компаний «ЯауМеоп ШСоЕ» [99]

подпись: технические характеристики (требования) схем считывания, разрабатываемых компаний «яаумеоп шсое» [99]В [99] проведен анализ требований, предъявляемых к схемам считывания различных МПИ. Параметры этих схем, разрабатываемых компанией «Raytheon IRCoE» приведе­ны в табл. 10.3.

Рабочая температура, К

10…300

80…300

2…70

Формат, пиксел

432×432

256×256

128×128

640×480

256×256

128×128

2052×2052

1024×1024

512×512

320×320

256×256

Наименьшие размеры ячейки, мкм

30×30

<25×25

27×27

Динамический диапазон входных сигналов, дБ

72

84…90

86

Нелинейность, %

<3

<0,3

<1

Шум считывания, электрон

<35

<1000

<20 (слабый фон) <1000 (мощный фон)

Мощность рассеяния, мВт

-100

5…250

0,3 (слабый фон) <100 (мощный фон)

Неоднородность коэффициента усиления, %

1

1

1

Коэффициент перекрестных электрических связей, %

<0,1

<0,1

<0,1

Максимальная частота кадров, Гц

120

300

500

Максимальная частота выходного сигнала, МГ ц

10

12

2,5

Максимальная выходная емкость, пФ

200

50

600

Таблица 10.3

Компанией «Raytheon ЖСоЕ» разработаны схемы считывания для резисторных и диэлектрических болометров [99]. Форматы этих схем — 320×320 пикселов размером 25 и 50 мкм, а мощность рассеяния — менее 100 мВт. Неохлаждаемые ФПУ, работающие с этими схемами в составе ИКС с К— 1 и — Рк — 30 Гц, имеют ЛТП < 10 мК для пиксела раз­мером 50 мкм и АТ„ < 50 мК для пиксела размером 25 мкм.

В [99] сообщается о том, что компания «РауШеоп ШСоЕ» создала опытные образ­цы оптических схем для параллельной передачи информации, потребляющие малую

Мощность (0,02 мВт на 106 пикселов), обеспечивающие высокую скорость обработки данных (100 Мб/с) и работающие при температуре 80 К. Назначение таких схем — эф­фективная передача сигналов из охлаждаемого объема (дьюара с ФПУ) к неохлаждае — мым электронным блокам для последующей их обработки. Схемы используют матрицу полупроводниковых лазеров. Драйвер лазера преобразует напряжение сигнала, посту­пающего на его вход, в ток, модулирующий поток, излучаемый лазером.

PostHeaderIcon МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ

Мультиплексор представляет собой совокупность ключей или ячеек, которые пере­дают сигнал в виде временной последовательности видеоимпульсов от фоточувстви — тельных элементов ФПУ на общую шину, к которой подключен видеоусилитель. Наи­более распространены мультиплексоры на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и мультиплексоры с прямой адресацией и сканированием на основе КМОП-структур.

В матричном ФПУ используются два мультиплексора: для считывания (развертки) сигнала по столбцам и по строкам. При этом обычно сравнительно медленно осуществ­ляется развертка по столбцу фоточувствительных элементов (пикселов), а с высокой скоростью — строчное мультиплексирование.

Используя несколько выходов, можно осуществлять чересстрочное считывание или раздельное считывание от отдельных квадрантов матричного ФПУ.

Июль 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Мар    
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

Мастерская Своего Дела - msd.com.ua