Инфракрасные системы «смотрящего» типа

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 256x256, 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 256x128 по­зволяет довести эквивалентный формат до 256x512 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 384x288 пикселов размером 24 мкм

И с микросканированием 2x2 пиксела (рис. 9.8). При частоте кадров 25 Гц и времени нако­пления до 2 мс здесь образуется выходное изображение формата 768x576, 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 384x288. После накопления сиг­налы считываются и производится коррекция неоднородности. Затем, получив четыре от­корректированных кадра от ФПУ, полное изображение формата 768x576 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%.

В [171] описывается малогабаритная камера на микроболометре формата 320x240, 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 256x256 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.