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 [1−8].

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 направлениипри этом каждый элемент линейки формирует одну строку телевизионного кадра) [9−15]. Достоинством тепловизионных систем второго поколения является отработанность технологии, возможность разрешения объектов с высокими пространственными частотами и сравнительно невысокая стоимость конечного изделия [16].

Основные погрешности наблюдения исследуемых объектов с помощью тепловизионных систем на основе матричных фотоприемных устройств сегодня связаны с появлением неоднородности уровня сигналов на выходе каналов 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» [17−22].

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 [19, 23]. 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, например [24−26], 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 день1 актуальной.

Таким образом, с учетом вышесказанного, целью настоящей работы является повышение достоверности расчетов при проектировании тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств.

Для достижения поставленных целей в работе были определены 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 то, 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 приемнорегистрирующем тракте тепловизионной системы не менее величины 5−7;

— определены требования к разбросу параметров элементов матричных фотоприемных устройствпоказано, 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 яркостьюуказанные 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, 2004 г.- VI Международная конференция «Прикладная оптика — 2004», Санкт-Петербург, 2004 г.- Международный оптический форум «Оптика — 2005», Москва, 2005 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.

4.5 Выводы.

Итак, по результатам, представленным в четвертой главе мы можем сделать следующие выводы:

— для того, чтобы избежать появления дополнительной оптической помехи, следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими класс чистоты не хуже IIв противном случае растет уровень паразитного излучения внутри объектива за счет отраженного от оптических поверхностей излученияпоявление такого излучения приводит к снижению контраста воспринимаемого изображения, а также может привести к неравномерному облучению матрицы эталоном и появлению ошибок калибровки вне зависимости от равномерности характеристик каналоврезультат выравнивания разброса сигналов в каналах (калибровки каналов) зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системыдля эффективной работы алгоритма выравнивания (калибровки каналов) по сигналам двух эталонов требуется отношение сигнал/шум не менее 5−7- с увеличением разброса чувствительности элементов матрицы фотоприемного устройства относительно среднего по матрице значения остаточный разброс сигналов увеличивается, при этом тем больше, чем выше для матрицы уровень разброса обнаружительной способности и тем меньше, чем выше величина средней обнаружительной способности;

— в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, разброс сигналов в каналах будет определяться в первую очередь разбросом обнаружительной способности, а не разбросом чувствительностифотоприемник, содержащий матрицу с большим разбросом обнаружительной способности, может проиграть по величине эквивалентной шуму разности температуры фотоприемнику с матрицей, имеющей меньшую среднюю по матрице обнаружительную способность, но меньший разброс;

— наилучшее выравнивание разброса сигналов в каналах (калибровка каналов) происходит при разбросе чувствительности относительно среднего по матрице фотоприемного устройства не более 15−17% и разбросе обнаружительной способности относительно среднего по матрице фотоприемного устройства не более 15−20%) (в зависимости от уровня средней обнаружительной способности). 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 априорнослучай, когда величина разброса минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов более чем на 15−20% превышает величину разброса канала, имеющего наименьшую обнаружительную способность, приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостьюканалы с разбросом, превышающим указанную величину, должны переводится в категорию «неработоспособных».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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. 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.

4. 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.