Инфракрасные системы «смотрящего» типа

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Для всех типов матричных многоэлементных приемников важное значение имеет уровень геометрического шума, описывающий инвариантную по времени пространст­венную неоднородность параметров чувствительных элементов (см. § 7.3). Обычно ис­точником геометрического шума служит разброс параметров отдельных элементов МПИ и ФПУ (чувствительности, 1//:шума, коэффициентов усиления предусилителей и др.), а также нелинейность их характеристик преобразования.

Нелинейности характеристик преобразования обусловлены рядом причин:

- нелинейным характером энергетических и фоновых характеристик приемников из­лучения - зависимостей их чувствительности от потока (или облученности), создаваемо­го наблюдаемым объектом или фоном и попадающего на приемник; для большинства приемников это имеет место при достаточно большом потоке или облученности;

- зависимостью чувствительности (квантовой эффективности) приемника от длины волны излучения, попадающего на чувствительный слой, и связанным с ней изменени­ем энергетических и фоновых характеристик приемника;

- селективным характером пропускания оптической системы ИКС, что также при­водит к изменению вида энергетических и фоновых характеристик приемника;

- изменением температуры охлаждения приемника в процессе его работы, если это изменяет вид его спектральной характеристики;

- нелинейностью преобразований сигналов в электронном тракте, и прежде всего в схеме считывания, предварительного усиления и аналого-цифрового преобразования.

В зависимости от типа МПИ и ФПУ и условий их работы те или иные из перечис­ленных факторов могут быть преобладающими.

Для уменьшения геометрического шума перед началом или в процессе работы прак­тически любой ИКС производится ее калибровка и корректировка неоднородности, це­лью которых является получение с каждого пиксела ФПУ сигнала одного и того же уровня (при условии их равномерной облученности). При этом важно учитывать изме­нение облученности по угловому полю 2со объектива из-за виньетирования, например по закону cos4co (см. § 6.1).

Методы коррекции неоднородности, в том числе и проистекающей из-за нелинейно­стей, разделяют на детерминированные и стохастические, с использованием эталона и без него, дискретно-аналоговые и аналого-цифровые. Детерминированные методы представляют геометрический шум детерминированным во времени, т. е. пространст­венное распределение неоднородности считается постоянным. Стохастические методы основаны на представлении геометрического шума случайным процессом как во вре­мени, так и в пространстве. Коррекция неоднородности может производиться в анало­говой форме, т. е. до преобразования аналоговых сигналов к цифровому виду. После та­кого преобразования ведется окончательная коррекция, диапазон которой у большин­ства современных устройств составляет 8... 12 бит.

Все эти требования должны быть аппаратурно реализованы в реальном масштабе времени.

К основным этапам коррекции неоднородности относятся:

- вычисление отклонений средних значений сигналов Уа - ср, снимаемых с отдельных пикселов при выбранной температуре черного тела Тчт, от усредненного значения VJ(T41)

- вычисление корректирующей поправки в соответствии с принятым способом кор­рекции (коррекция смещением, линейная, квадратичная, кубическая коррекция);

- ввод корректирующей поправки путем изменения напряжений смещения или ко­эффициентов усиления сигналов, снимаемых с отдельных элементов ФПУ;

- коррекция системы записи или отображения сигналов.

Различным методам коррекции посвящено большое число публикаций [2, 124, 131, 142, 175, 228, 248]. Рассмотрим некоторые из них, получившие наибольшее распро­странение на практике.

Простейшим способом коррекции является одноточечная, когда для какой-то вы­бранной температуры черного тела, равномерно облучающего МПИ, определяются от­
клонения сигналов, снимаемых с отдельных пикселов ФПУ и далее выравниваемых пу­тем изменения напряжений смещений в цепях отдельных чувствительных элементов. Если же сигналы, снимаемые с пикселов, усиливаются, то для коррекции неоднородно­сти можно изменять коэффициенты усиления в ячейках ФПУ. Коррекция неоднородно­сти оказывается лучшей при двухточечной схеме, когда отклонения сигналов, снимае­мых с отдельных пикселов, от их среднего значения определяются для двух значений температуры черного тела, используемого при калибровке.

А) 6)

Рис. 10.7. Зависимости сигналов, снимаемых с двух произвольно выбранных пикселов ФПУ (1 и 2), от облученности Ее или температуры черного тела Тт равномерно облучающего МПИ,

До (а) и после (б) двухточечной коррекции

Зависимости сигналов Ус, у на выходе двух произвольно выбранных элементов ФПУ от сигнала, поступающего на вход ФПУ, показаны на рис. 10.7,«. Обычно такой сигнал описывают температурой черного тела, равномерно облучающего МПИ, или облучен­ностью чувствительного слоя Ее.

Если бы зависимости УСу = /(Ее) были линейными, то, изменяя напряжение смеще­ния Усм И крутизну ЭТИХ зависимостей (коэффициенты усиления К#), можно было бы полностью совместить их, т. е. добиться идеальной однородности. Однако на практике это никогда не удается и приходится совмещать такие зависимости в одной или двух (см. рис 10.7,6) точках и очень редко - в большем их числе. Очевидно, что из-за нели­нейности зависимостей УС1у = /(Ее) полностью устранить неоднородность не удается; ее можно только частично компенсировать.

Если при каком-то уровне входного сигнала (при какой-то температуре черного те­ла, равномерно облучающего МПИ) амплитуда сигнала (напряжения), снимаемого с у - го пиксела ФПУ, равна Уф то отклонение АУсц от среднего по всем пикселам значения Усу ср равно

А Усу ~ Усу ~ Усу ср > а его среднее квадратическое значение можно представить в виде ряда

Где постоянные а, Ь, с описывают параметры схемы включения пиксела (напряжение смещения Усм, коэффициент усиления Ку и др.), определяемые и запоминаемые для ка­ждого пиксела.

После коррекции сигналы устанавливаются равными УСу ср+ Д УСуК , где поправки представляют собой разности А УСуК = Дгсу, -5су.

Для произвольного значения температуры черного тела, равномерно облучающего МПИ, после коррекции путем изменения смещения напряжение на выходе г/'-го пиксела будет равно

При линейной коррекции

При квадратичной коррекции

Из анализа этих выражений можно сделать ряд важных выводов [248]. Так, для ли­нейной коррекции коэффициент усиления Ку должен быть малым («1). При Щ = -1 1/(1 + Ку ) -> со, т. е. такой пиксел не реагирует на облучение и является заведомо де­фектным.

При коррекции стремятся свести уровень геометрического (пространственного) шу­ма до уровня временного или меньше. Показатель степени или качества коррекции Ск представляет собой отношение средних квадратических значений геометрического и временного шума:

Как функцию времени этот показатель можно использовать и для оценки стабиль­ности проведенной коррекции. Уже отмечалось, что при линейной двухточечной схеме нелинейность характеристики преобразования приводит к невозможности обеспечить высокое качество коррекции. Это присуще практически всем системам с фотонными (селективными) приемниками излучения. Поэтому, например, в [175] предлагается коррекция, использующая кубическое уравнение вида

При такой коррекции наиболее важным фактором, обуславливающим качество изо­бражения, становится равномерность облученности, создаваемой объективом ИКС по всему угловому полю.

Компенсация уменьшения облученности в изображении особо значима для крупно­форматных ФПУ. Для этого достаточно увеличивать коэффициенты усиления пикселов ФПУ по мере их удаления от центра углового поля, например по закону cos4, как это делается в ряде разработок фирмы «Raytheon», предназначенных для астрономических исследований и имеющих размеры чувствительного слоя 54x54 мм при формате ФПУ 2052x2052 пикселов.

Выбор способа коррекции и калибровки зависит от типа МПИ. Так, исследования МПИ на базе PtSi, InSb и KPT, проведенные авторами [131], показали, что для PtSi - и InSb-МПИ геометрический шум меньше уровня временного, т. е. Ск< 1, можно обеспе­чить при линейной, а для приемников на основе КРТ - при квадратичной коррекции. Значения Ск < 1 сохраняются для приемников на базе PtSi в течение 25 ч, для приемни­ков на базе InSb — в течение часа, а КРТ-МПИ — в течение 5 мин, что объясняется нали­чием в структуре этих МПИ дефектных пикселов.

В системах с неселективными неохлаждаемыми МПИ, например с микроболомет - рическими, коррекция неоднородности весьма специфична. Влияние изменений темпе­ратуры окружающей среды в значительной степени уменьшается за счет мостиковой схемы включения болометра, однако изменения токов смещения и температуры чувст­вительного элемента из-за тока, протекающего через элемент, требуют проведения кор­рекции в процессе работы ИКС (динамической коррекции). В [257] утверждается, что сочетание обычной (статической) и динамической компенсации позволяет снизить среднюю неоднородность до значений, меньших 1/250 ООО, что сравнимо с эквивалент­ным шумовым напряжением - шумом Джонсона при полосе частот 1 кГц.

В ряде случаев, например, когда причина неоднородности лежит в изменении струк­туры фоточувствительного материала, можно использовать оптический фильтр, «уко­рачивающий» спектральную характеристику приемника, т. е. уменьшающий ее длинно­волновый диапазон сверху.

Расчеты показывают, что для приемников на базе Hg!_xCdxTe при емкости заряда в 2-107 электрон идентичность (равенство) АТп, определяемых собственными («времен­ными») шумами элементов и геометрическим шумом, достигается при разбросе Ах = ±0,0006 для спектральных диапазонов 3...5,1 и 8...10,6 мкм. Если же применить оптические фильтры с граничными длинами волн в 4,7 и 9,6 мкм, то указанное условие для АТп, т. е. Ск = 1, выполняется при намного меньшем допуске - Ах = ± 0,001 и даже до ± 0,003.

Некоторое уменьшение уровня сигнала при вводе фильтра можно компенсировать относительно небольшим увеличением времени его накопления, т. е. уменьшением по­лосы частот.

В [249] описывается метод адаптивной коррекции неоднородности, устраняющий необходимость постоянного изменения коэффициентов коррекции. Непрерывная ком­пенсация неоднородности применяется адаптивно для каждого пиксела ФПУ и для

Температуры фона, изменяющейся в достаточно большом диапазоне пу­тем одновременного обновления ко­эффициента усиления и напряжения смещения. Упрощенная схема реа­лизации этого метода приведена на рис. 10.8. Требуемое для коррекции значе­ние поправки 5„ определяется путем сравнения сигнала, снимаемого с пиксела, с сигналами соседних пик­селов. Итерационный алгоритм, в процессе которого медленно (в тече­ние нескольких сотен и даже тысяч времен кадров) оптимизируются ко-

Эффициенты усиления и напряжения смещения, основан на минимизации по методу наискорейшего спуска, применяемому в системах технического зрения. Интерполяция для определения 5 представляет собой пространственную свертку, которая позволяет сравнивать сигнал каждого пиксела с сигналами его соседей. Процесс обновления ко­эффициентов усиления Кус и напряжений смещения Гсм описывается уравнениями

Кус „ = Кусп-1- 2аш ДГ-5),

Гсм„=Гсм„_;-2акнДГ-5),

Где коэффициент аКИ определяет размер шага коррекции и скорость сходимости, причем он должен выбираться достаточно малым, чтобы обеспечить устойчивость алгоритма.