Разработка тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств

16

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств

В настоящее время в мире проводятся исследования по совершенствованию методов и средств неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, а также разработка устройств для создания систем наблюдения и контроля указанных объектов. Одно из важнейших направлений этих исследований - разработка систем, воспринимающих сигналы в инфракрасной области спектра. Так, например, при мониторинге земной поверхности, тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, что позволяет решить целый ряд задач по обнаружению природных ресурсов, контролю за состоянием различных инженерных сооружений, исследованию состояния земной поверхности, водной среды, атмосферы и т. д. Одним из наиболее эффективных технических средств для решения задач, связанных с наблюдением объектов в инфракрасной области спектра, являются тепловизионные системы.

Существенный рост возможностей тепловизионных систем обусловлен переходом от систем первого поколения (с инфракрасными фотоприемниками, имеющими незначительное число чувствительных элементов и сканированием фотоприемником наблюдаемой картины в двух направлениях) к тепловизионным системам второго поколения (с матричными фотоприемниками в виде линейных матриц элементов и сканированием линейкой элементов только в одном направлении; при этом каждый элемент линейки формирует одну строку телевизионного кадра). Достоинством тепловизионных систем второго поколения является отработанность технологии, возможность разрешения объектов с высокими пространственными частотами и сравнительно невысокая стоимость конечного изделия.

Основные погрешности наблюдения исследуемых объектов с помощью тепловизионных систем на основе матричных фотоприемных устройств сегодня связаны с появлением неоднородности уровня сигналов на выходе каналов тепловизионной системы при равномерной облученности матрицы фотоприемника. Под каналом будем понимать участок приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов. Поскольку в тепловизионных системах второго поколения производится сканирование наблюдаемой картины линейкой элементов, неоднородность каналов приводит к появлению в устройстве отдельных строк с яркостью существенно выше или ниже яркости основного изображения или строк, отсутствующих в наблюдаемой тепловой картине. В ряде работ это явление получило название «геометрического шума».

Основными причинами возникновения неоднородности уровня сигналов в каналах являются различие параметров элементов матрицы относительно друг друга. Именно поэтому в ряде литературных источников принято говорить о геометрическом шуме фотоприемных устройств. Причем в обозримом будущем не представляется возможным создать матричный фотоприемник, в котором неоднородность параметров элементов будет устранена полностью. Развитие технологий изготовления фотоприемников позволит в дальнейшем лишь снизить разброс параметров элементов и, следовательно, сигналов в каналах. Создание аналоговых усилителей с абсолютно идентичными характеристиками в обозримом будущем также не представляется возможным.

В последнее время для оптимизации расчета и проектирования тепловизионных систем используется множество математических моделей, которые дают возможность с требуемой точностью определить ряд характеристик этих систем. Общей особенностью существующих моделей является то, что все они предлагают на этапе разработки задавать допустимый разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы. Допустимый разброс определяется исходя из величины эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы, при которой система в состоянии выполнить поставленные задачи. При этом считается, что допустимый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов матрицы фотоприемника.

Однако, как показывают появившиеся в последнее время публикации, для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, появляющийся из-за влияния геометрического шума фотоприемных устройств разброс сигналов в каналах может оказать существенное влияние на разброс сигналов на характеристики тепловизионных систем. Следовательно, использование методик, не учитывающих геометрический шум фотоприемных устройств, может привести к существенным расхождениям между расчетными и практическими характеристиками систем. Поэтому, с учетом вышесказанного, задача повышения достоверности расчета при проектировании тепловизионной системы остается на сегодняшний день актуальной.

Цель работы.

Целью настоящей работы является повышение достоверности расчетов при проектировании тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств.

Основные задачи диссертационной работы

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на разброс сигналов на выходе каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.

2. Разработка математической модели канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющей на этапе проектирования учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемника с учетом параметров канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

3. Исследование с помощью разработанной модели влияния геометрического шума матричного фотоприемника на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы и оценка допустимых значений параметров матричных фотоприемных устройств, выполнение которых позволит реализовать требуемые характеристики тепловизионной системы

4. Разработка критериев оценки для проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработана математическая модель канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая учесть влияние разброса параметров элементов матрицы фотоприемного устройства на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы при различных алгоритмах калибровки каналов;

- предложен метод, позволяющий на этапе конструирования оценить уровень геометрического шума в тепловизионной системе;

- выявлено, что выравнивание разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Определено минимальное отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионной системы, необходимое для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов;

- выявлено, что в тепловизионных системах с матричным фотоприемным устройством, работающих при низких отношениях сигнал/шум, разброс обнаружительной способности в элементах матрицы влияет на достижение минимального разброса на выходе каналов сильнее, чем разброс чувствительности этих элементов;

- показано, что величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента матричного фотоприемного устройства, по которой канал признается неработоспособным в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно;

- сформулированы требования к качеству изготовления поверхностей оптических систем, необходимые для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- определен диапазон допустимых значений исходного разброса параметров матричного фотоприемного устройства, при которых тепловизионная система обеспечивает требуемые характеристики и разработана методика проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения, что в свою очередь позволит избежать излишних затрат на экспериментальную проверку пригодности конкретного фотоприемника для проектируемой тепловизионной системы;

- определено, что для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов на выходе каналов по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионной системы не менее величины 5-7;

- определены требования к разбросу параметров элементов матричных фотоприемных устройств; показано, что при разбросе чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-17% и разбросе обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-20% остаточный после выравнивания разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы превышает допустимую величину;

- показано, что если величина минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента дефектного канала более чем на 15-20% превышает величину разброса элемента канала с наименьшей обнаружительной способностью, то на экране устройства отображения появляются строки с переменной по кадру яркостью; указанные каналы должны считаться неработоспособными;

- показано, что использование элементов оптических систем, имеющих шероховатость поверхностей хуже II класса чистоты, приводит к появлению дополнительной оптической помехи, вызывающей ошибки при калибровке каналов по сигналам от двух эталонов.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель канала тепловизионной системы, позволяющая оценить влияние параметров тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

2. Разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы зависит не только от параметров фотоприемного устройства, но и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Для тепловизионных систем, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, величина разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы определяется в первую очередь разбросом обнаружительной способности элементов матричного фотоприемника, а не разбросом их чувствительности.

3. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов выбирается исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника. Несоблюдение этого требования приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.

4. В тепловизионных системах следует использовать элементы оптических систем с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже II. В противном случае появляется дополнительная оптическая помеха внутри объектива, которая может повлиять на калибровку каналов.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «XVIII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения», Москва, 2004г.; VI Международная конференция «Прикладная оптика - 2004», Санкт-Петербург, 2004г.; Международный оптический форум «Оптика - 2005», Москва, 2005г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, и 3 приложений. Диссертация содержит 173 листа, 8 таблиц и 37 рисунков.

Содержание работы

Во введении содержится обоснование актуальности выбранной темы исследований и сформулированы цель, задачи диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализирован предмет исследований - тепловизионная система второго поколения. Описаны основные составляющие процесса получения теплового изображения, структура и ряд существующих классификаций тепловизионных систем.

Структура исследуемой тепловизионной системы представлена на рисунке 1. Под каналом понимается участок тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов.

Задачей фотоприемного устройства (приемника излучения, фотоприемника) является преобразование распределения интенсивности излучения от объектов в распределение напряжения.

Рисунок 1. Структура тепловизионной системы

тепловизионный контроль геометрический шум

Задачей этапа обработки сигнала является повышение отношения сигнал/шум для полезного сигнала и формирование телевизионного кадра на выходе системы для подачи на выходное видеоустройство.

Поскольку сегодня для создания фотоприемников тепловизионных систем существует множество различных материалов, то далее дан краткий обзор применяемых сегодня материалов перспективных для создания фотоприемников ИК области спектра (HgCdTe, InSb, HgMnTe, HgZnTe, и т.д.). Указано на наличие проблемы появления неоднородности параметров элементов матриц в современных фотоприемниках. Это приводит к различиям в характеристиках каналов, и, в свою очередь, приводит к тому, что при условии равномерной облученности матрицы фотоприемника уровни сигналов в каналах различаются. Вследствие этого при сканировании с помощью матричного фотоприемника наблюдаемой картины на устройстве отображения появляются отдельные строки с яркостью выше или ниже яркости основного изображения, отсутствующие в наблюдаемой тепловизионной картине. Это приводит к существенному снижению такого параметра тепловизионных систем как эквивалентная шуму разность температур и, следовательно, максимальной дальности тепловизионных систем.

Далее описан широко применяемый метод решения этой проблемы в современных тепловизионных приборах - калибровка каналов. В многочисленных тепловизионных системах в настоящее время, как правило, задачей калибровки каналов является регулировка коэффициента усиления в каналах таким образом, чтобы при условии равномерной засветки матрицы фотоприемника уровни сигналов на выходе всех каналов были равны. Вычисление величины регулировки проводится на основе сигналов с нескольких эталонных источников, в заданный момент времени равномерно засвечивающих матрицу фотоприемника.

Из дальнейшего обзора применяемых в настоящее время моделей, описывающих тепловизионные системы, видно, что все эти модели предлагают задавать на этапе разработки допустимый разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы исходя из требуемого значения эквивалентной шуму разности температур. При этом считается, что требуемый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов фотоприемника.

Однако проводившиеся в последние годы работы по исследованию тепловизионных систем позволяют усомниться в этом. Они показывают, что разброс сигналов в каналах тепловизионной системы может существенно изменяться при изменении отношения сигнал/шум в системе. В результате, хотя мы имеем возможность оценить влияние разброса сигналов в каналах тепловизионной системы на эквивалентную шуму разность температур, остается открытым вопрос, позволят ли значения таких параметров фотоприемных устройств как разброс чувствительности и разброс обнаружительной способности элементов фотоприемника получить требуемые от тепловизионной системы характеристики.

Следовательно, необходимо оценить, какие факторы оказывают влияние на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения, и разработать модель канала тепловизионной системы, позволяющую учесть влияние этих факторов на калибровку каналов тепловизионной системы. В завершение первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена анализу факторов, влияющих на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником и разработку модели канала, которая позволит учесть влияния этих факторов на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.

Анализ показывает, что причинами появления ошибок калибровки каналов тепловизионной системы в тепловизионной системе являются:

- неоднородность параметров элементов матричного фотоприемного устройства;

- различия в параметрах аналоговых частей каналов;

- появление неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом.

Появление неравномерности засветки связано со следующими причинами. Поток W_пр, достигнувший чувствительного элемента фотоприемного устройства, равен

,

где W поток, попадающий на входной зрачок объектива тепловизионной системы, W_отр часть, отраженная от поверхностей линз и зеркал и W_пог часть, поглощенная материалом линз, зеркал и специально предназначенными для этого устройствами.

Излучение W_отр, отраженное и рассеявшееся в объективе, может создать дополнительную помеховую засветку, появление которой не только снизит контраст воспринимаемого изображения и, в ряде случаев, станет причиной появления ложных сигналов на выходе тепловизионной системы. Поскольку распределение помеховой засветки в плоскости чувствительных элементов фотоприемника носит случайный характер, то она может привести к появлению неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом. Следовательно, качество изготовления поверхностей оптических систем должно быть таково, чтобы влияние W_отр было незначительным.

Для ранее разработанных моделей сигнал в i-м канале считался равным

,

где S() нормированная спектральная характеристика фотоприемника, S_Ui чувствительность i-го элемента матрицы фотоприемника по напряжению в максимуме спектральной характеристики, W() поток, падающий на входной зрачок тепловизионной системы; ()коэффициент пропускания оптической системы.

Тогда, с учетом вычитания постоянной составляющей U_iпост и поправочного коэффициента усиления K_i, сигнал в i-м канале для этих моделей считался равным

.

В современных тепловизионных системах поправочный коэффициент усиления K_i определяется на основе сигналов с эталонных источников. Причем, поскольку проводится усреднение по нескольким измерениям, величина этих сигналов и, следовательно, K_i определяются чувствительностью элемента i-го канала.

Однако для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, существенным фактором, влияющим на калибровку каналов тепловизионной системы, является шум в канале.

В разработанной модели сигнал в i-м канале на входе описывается с учетом шума i-го чувствительного элемента фотоприемника U_шФПi и считается равным

.

где U_шФПi собственные шумы i-го элемента и - доля энергии, попадающей на фотоприемник с учетом неидеальности оптической системы.

Тем самым учитывается не только разброс чувствительности элементов матрицы фотоприемника, но и разброс их обнаружительной способности (которая определяется собственными шумами элементов фотоприемника).

Далее, представляя аналоговую часть канала как совокупный набор активных и пассивных четырехполюсников, и собственные шумы канала как сигнал источника ЭДС в составе четырехполюсника, сигнал на входе устройства обработки сигнала равен

,

где U_шсис собственные шумы канала и Х передаточная функция канала.

Это позволит учесть влияние различий в параметрах аналоговых частей каналов на калибровку каналов.

Тогда сигнал в канале после коррекции равен

.

Зная характер преобразования сигналов в канале на каждом из этапов, мы можем достаточно точно оценить разброс сигналов в каналах С(%) на выходе. Отсюда мы сможем ответить на вопрос, позволят ли разброс чувствительности и обнаружительной способности фотоприемника получить допустимое значение разброса сигналов в каналах тепловизионной системы.

Исследуемые тепловизионные системы сравнивались по следующим параметрам: разброс сигналов в каналах; эквивалентная шуму разность температур; дальность действия тепловизионной системы.

Для определения эквивалентной шуму разности температур используется предложенная Якушенковым Ю.Г. и др. трехмерная модель шума. Такой подход охватывает большинство источников шума в тепловизионной системе и позволяет легко оценить вклад в эквивалентную шуму разность температур за счет случайного временного шума системы и вклад в эквивалентную шуму разность температур за счет пространственного шума (разброса сигналов в каналах).

Поскольку число элементов в современных фотоприемниках может превышать несколько сотен, появляются существенные трудности для вычисления разброса сигналов в каналах с помощью существующих математических пакетов. В случае рассмотрения нескольких фотоприемных устройств проблема значительно усугубляется. В связи с этим модель была реализована с помощью программы, созданной в объектно-ориентированной среде Borland Delphi 7.0.

Таким образом, во второй главе определены факторы, влияющие на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения, и разработана математическая модель канала тепловизионной системы, учитывающая влияние этих факторов.

В третьей главе проведены эксперименты и сравнение расчетов с экспериментальными данными.

Была проведена серия экспериментов, призванных сравнить эквивалентную шуму разность температур, вычисляемую теоретически, согласно ранее применяемым моделям, предлагаемой модели, и экспериментальное значение эквивалентной шуму разности температур.

Схема проведения эксперимента показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема проведения эксперимента. 1 - тест-объект, 2 - коллиматор, 3 - тепловизионная система с исследуемым фотоприемником, 4 - визир, 5 - юстировочный стол, 6 - вольтметр

На основании полученной в эксперименте температурно-частотной характеристики определялась величина эквивалентной шуму разности температур.

Эксперимент показывает, что расчетные результаты, полученные с помощью предложенной во второй главе модели, достаточно близки к измеренным. При этом эквивалентная шуму разность температур тепловизионной системы, рассчитанная с применением разработанной модели, ближе к экспериментальной, чем с применением моделей, применяемых ранее. Следовательно, предложенная модель может быть использована для дальнейшего исследования влияния параметров тепловизионной системы на выравнивание неоднородности сигналов в каналах.

Если рассмотреть на основе существующих на сегодня работ изменение температурно-частотной характеристики системы при изменении эквивалентной шуму разности температур то видно, что для получения приемлемых характеристик исследуемой тепловизионной системы величина эквивалентной шуму разности температур не должна превышать 150 - 175 мК. Рассмотрим зависимость эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы от величины разброса сигналов в каналах на выходе (рисунок 3). Как видно из рисунка, эта величина достигается при значении разброса сигналов в каналах менее 1,5-2%. Полученное значение полностью согласуется с результатами экспериментальных работ ГОИ, опубликованными ранее А.В. Вафиади.

Рисунок 3. Разность температур эквивалентная шуму при изменении остаточного после коррекции разброса сигналов %, при средней обнаружительной способности от 5 (кривая 1) до 910¹⁰ см*Гц^1/2/Вт (кривая 3), соответственно

Таким образом, результатами третьей главы стали экспериментальная проверка адекватности разработанной во второй главе модели тепловизионного канала практике и выбор допустимой величины разброса сигналов в каналах на выходе, по которой в дальнейшем будет оцениваться тепловизионная система. Результаты проведенных экспериментов показали, что рассчитанная с применением разработанной модели эквивалентная шуму разность температур тепловизионной системы ближе к экспериментальному значению более чем в 1,5 раза, чем аналогичный расчет с использованием ранее применяемой модели.

В четвертой главе проведена оценка допустимых шероховатостей поверхностей оптической системы, а также оценка влияния параметров элементов тепловизионной системы на результаты калибровки каналов.

Результаты исследований пропускания поверхностей элементов оптических систем от величины шероховатости подложек элементов показали, что в тепловизионных системах следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими класс чистоты не хуже II. В этом случае отражение от поверхностей оптической системы не приводит к появлению паразитного оптического сигнала и позволяет избежать ошибок калибровки каналов, связанных с неравномерностью засветки матрицы

Далее в четвертой главе представлены результаты, которые позволили оценить, при каком наименьшем отношении сигнал/шум и при каких исходных значениях разброса элементов выравниваемой матрицы обеспечивается приемлемый разброс сигналов в каналах фотоприемного устройства.

При этом рассматривались результаты калибровки каналов для различных средних величин и разбросов чувствительности и обнаружительной способности элементов исследуемой матрицы при изменении отношения сигнал/шум в тепловизионной системе.

Рисунок 4. Разброс сигналов в каналах тепловизионной системы при изменении отношения сигнал/шум. Разброс чувствительности элементов матрицы фотоприемника для кривой 1 в полтора раза меньше, чем для кривой 2

Проведенные исследования показывают, что при величине отношения сигнал/шум меньше 5-7 наблюдается существенное увеличение неоднородности сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы. Следовательно, в тепловизионной системе, работающей с низкими отношениями сигнал/шум, всегда будет присутствовать остаточный разброс сигналов в каналах, причем он будет зависеть от величины разброса параметров элементов матрицы (рисунок 4).

Не менее важным фактором, влияющим на величину неоднородности сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы, является разброс значений отношений сигнал/шум в элементах матрицы (разброс обнаружительной способности). На рисунке 5 дан пример выравнивания для случаев, когда имеет место разброс обнаружительной способности (рисунок 5 кривая 2) и когда им можно пренебречь (рисунок 5 кривая 1). Обнаружительная способность для кривой 1 меньше.

Как видно из рисунка, разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы увеличивается не только с увеличением разброса чувствительности элементов матрицы фотоприемного устройства относительно среднего по матрице значения, но и с увеличением разброса обнаружительной способности. При этом фотоприемник с высокой средней по матрице обнаружительной способностью, но большим разбросом обнаружительной способности (рисунок 5 кривая 2) может проиграть по величине разброса сигналов на выходе каналов матрице с меньшей средней обнаружительной способностью, но с меньшим разбросом (рисунок 5 кривая 1). То есть в тепловизионных системах на достижение минимального остаточного разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы большее влияние оказывает разброс обнаружительной способности матрицы фотоприемника, а не разброс чувствительностей элементов матрицы.

Рисунок 5. Результат выравнивания для случаев наличия и отсутствия разброса обнаружительной способности. Кривая 1- D*ср = 610¹⁰см Вт^-1 Гц^1/2 разброс <<1 %, Кривая 2- D*ср = 910¹⁰см Вт^-1Гц^1/2 разброс более 4%

Допустимый разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы соблюдается при максимальном разбросе чувствительности относительно среднего значения не более 15-17% и максимальном разбросе обнаружительной способности относительно среднего значения не более 15-20% (в зависимости от уровня средней обнаружительной способности).

Часто техническим заданием на матричный фотоприемник допускается наличие на краях линейки незначительного числа элементов, имеющих величину обнаружительной способности несколько меньше остальных (так называемый «мягкий дефект»). При этом величина обнаружительной способности не должна быть меньше определенного минимально допустимого уровня. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента, по которой канал признается неработоспособным, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно. Выбор величины минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента «дефектного» канала на 15-20% ниже величины разброса «нормального» канала с наименьшей обнаружительной способностью приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.

Таким образом, в четвертой главе определены диапазон допустимых значений исходного разброса параметров элементов матричного фотоприемного устройства и допустимые пределы обработки элементов оптической системы, при которых тепловизионная система обеспечивает заданные характеристики.

Основные результаты работы

По итогам проделанной работы можно сделать вывод, что показана возможность совершенствования и повышения достоверности проектирования тепловизионной системы путем повышения точности теоретической оценки результатов калибровки каналов тепловизионной системы за счет учета геометрического шума фотоприемных устройств.

Кроме того:

1. Выявлены факторы, влияющие на результат калибровки каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения - неоднородность параметров элементов матричного фотоприемного устройства, различия в параметрах аналоговых частей каналов и появление неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом.

2. Разработана модель канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая на этапе проектирования тепловизионной системы учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемного устройства и параметров канала тепловизионной системы на результаты выравнивания разброса сигналов в каналах (калибровки) тепловизионной системы.

3. Выявлено, что результат выравнивания разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы и показано, что для эффективной работы алгоритма выравнивания (калибровки) по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум более величины 5-7. На основании проведенного анализа показано, что с увеличением разброса чувствительности элементов и разброса обнаружительной способности элементов матрицы разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы увеличивается. При этом в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, остаточный разброс сигналов в каналах будет определяться в первую очередь разбросом обнаружительной способности, а не разбросом чувствительности. То есть фотоприемник, содержащий матрицу с большим разбросом обнаружительной способности относительно среднего по матрице значения, может проиграть по величине эквивалентной шуму разности температуры фотоприемнику с матрицей, имеющей меньшую среднюю по матрице обнаружительную способность, но меньший разброс.

4. Также показано, что в тепловизионных системах следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже II. В противном случае это приводит к появлению дополнительной оптической помехи в объективе за счет отраженного от оптических поверхностей излучения. Появление такого излучения приводит не только к понижению контраста воспринимаемого изображения, но и появлению ошибок при калибровке каналов по сигналам эталонных источников.

5. Получены результаты, которые позволят разработчику тепловизионных систем на ранних этапах разработки провести разбраковку фотоприемников. Для матричных фотоприемников допустим разброс чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-17% и разброс обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-20%. Если требованиями на фотоприемник допускается наличие элементов, имеющих «мягкий дефект», то величина разброса обнаружительной способности относительно среднего для матрицы значения для таких элементов должна быть не более чем на 15-20% больше величины разброса канала, имеющего наименьшую обнаружительную способность. Матрицы, не удовлетворяющие данному условию, должны признаваться негодными для создания высококачественных тепловизионных систем.

Список работ

тепловизионный контроль геометрический шум

1. V.A Baloev, V.P. Ivanov, Y.M. Latypov. Modeling of characteristic of array photodetecting device in composition with thermal imaging systems //Proc. SPIE - 2004 - Vol. 5834. - p.67-71.

2. Балоев В.А., Иванов В. П., Латыпов Я.М. Моделирование характеристик матричного фотоприемного устройства в составе тепловизионной системы.// XVIII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, 2004 г. Тезисы докладов, 224с. - с.73

3. Латыпов Я.М. Исследование влияния сигнала эталонного источника на выравнивание геометрического шума матричного фотоприемника инфракрасного диапазона. // Электронное приборостроение (ЭП). Научно-практический сборник (Науч.-пр.сб.). Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск № 3 (31) - Казань: КГТУ (КАИ). 2003 г. - c.54-61.

4. Латыпов Я.М. Моделирование тепловизионной системы на основе матричного фотоприемника и исследование влияния обработки сигнала с фотоприемника на характеристики системы.// Электронное приборостроение (ЭП). Научно-практический сборник (Науч.-пр.сб.). Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск № 2 (43) - Казань: КГТУ (КАИ). 2005г. - c.55-61.

5. Латыпов Я.М., Несмелов Е.А. Влияние просветляющих покрытий на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения. // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004 г - т4. - с. 15-19.

6. Латыпов Я.М., Несмелов Е.А. Влияние шероховатости элементов системы на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения.// Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004 г - т4. - с.83-87.

Размещено на Allbest.ru