Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

В настоящее время, как уже отмечалось в гл. 4, существуют различные критерии пространственного разрешения (критерий Рэлея, размер диска Эри, размер кружка рас­сеяния, размер одного пиксела приемника излучения и др.). В п. 4.2.1 определялись важнейшие параметры и характеристики ИКС, с помощью которых оценивается про­странственное (геометрооптическое) разрешение системы. Там же кратко описывались условия, при которых находят простейшие из этих показателей: предел углового раз­решения, угловое разрешение, угловая ширина разрешения.

Методы определения разрешающей способности ИКС зависят от выбранного или заданного критерия разрешения. Возможны чисто расчетные методы, например вычис­ление угла, стягиваемого элементом приемника излучения, или частоты Найквиста (см. гл. 9). Экспериментальные методы основаны на использовании специальных мир (см., например, рис. 12.4.).

Если определять разрешение системы N по радиально-секторной звездной мире, то, измеряя диаметр с1р„ центрального размытого изображения (на рис. 12.4,6 это - темная область вокруг центра растра) и зная число тр периодов растра, с некоторым прибли­жением можно получить для линейного разрешения (в периодах на миллиметр)

=тр/(^ри)

Или в угловой мере (в периодах на радиан)

ЛГУ — тр/ К0Л/(кйр„),

Где /'кол - фокусное расстояние объектива коллиматора.

Поскольку многие критерии пространственного разрешения зависят от ряда изме­няющихся факторов, например от размеров и закона распределения освещенности в кружке рассеяния, которые меняются по угловому полю объектива ИКС, часто опреде­ляют так называемое средневзвешенное разрешение по площади всего многоэлемент­ного приемника (по всему угловому полю или какой-то его части).

Наибольший интерес для разработчиков и пользователей ИКС представляет оптиче­ская передаточная функция (ОПФ) и особенно ее модуль - функция передачи модуля­ции (ФПМ), аргументами которых являются пространственные частоты.

Для расчета ФПМ можно использовать два основных способа: непосредственное измерение контраста в изображении периодических структур (мир с синусоидальным или прямоугольным законом изменения яркости) и получение импульсной реакции системы (реакции на воздействие, близкое к дельта-функции) с последующим ее пре­образованием по Фурье [21, 60, 144, 276]. Разновидностью последнего способа можно считать определение переходной функции системы — реакции на ступенчатое входное воздействие в виде оптической полуплоскости (оптического ножа) с последующим дифференцированием и Фурье-преобразованием этой функции. При этом число выбо­рок сигнала должно быть достаточно большим, чтобы минимизировать влияние фазо­вых эффектов, возникающих при выборке (см. гл. 9).

Структурная схема установки для определения ФПМ этими способами остается од­ной и той же (см. рис. 12.3). Изменяется лишь вид тест-объекта, которым может быть периодическая структура (мира), отверстие малого размера (точечный излучатель) или узкая щель, оптическая полуплоскость - транспарант с резкой границей прозрачной и непрозрачной (излучающей и «неизлучающей») частей. Кроме того, соответственно изменяется вид обработки сигнала в системе считывания или на выходе электронного тракта установки.

Пространственная частота мир (тест-объектов), используемых при первом способе определения ФПМ, не должна превышать частоту Найквиста^, свойственную испы­туемой ИКС, иначе начнут сказываться побочные частоты, возникающие при выборке изображения многоэлементным приемником (МПИ) и накладывающиеся на основные гармоники. При втором способе рекомендуется иметь угловой размер точечного излу­чателя или цели не более 0,1 угла, стягиваемого элементом МПИ, т. е. 2соэ. При очень малых размерах этих излучателей трудно обеспечить требуемое для измерений отно­шение сигнал-шум, так как поток излучения, проходящий через отверстие или щель, становится очень малым.

Для учета влияния фазовых сдвигов на вид ФПМ систем с МПИ можно воспользо­ваться двумя методами. Во-первых, можно перемещать точечный, а также щелевой из­лучатели или ножевую диафрагму (оптическую полуплоскость) так, чтобы их изобра­жения попадали на разные части пиксела МПИ (элемента чувствительного слоя), т. е. менять пространственную фазу изображения тест-объекта относительно пиксела МПИ. Зафиксировав максимум выходного сигнала (импульсной реакции) для какого-то по­ложения миры, можно смещать ее на доли периода расположения пикселов МПИ и по­лучать выходные сигналы для соответствующих фазовых сдвигов. Совокупность вы­ходных сигналов дает график импульсной реакции системы.

Во-вторых, можно использовать миру с переменным периодом расположения ее элементов, например состоящую из отдельных «точечных» излучателей (квадратов или линий), каждый из которых смещен на свою долю периода расположения по отноше­нию к пикселам МПИ (см. например, рис. 12.4,г). Элементы миры должны быть строго ориентированы (параллельны) относительно элементов МПИ. Их размеры обычно не должны превышать 0,1 размера пиксела МПИ. Преобразование Фурье сигналов, сни­маемых с МПИ, дает ФПМ системы.

При описанных измерениях очень важно учитывать и устранять возможную неод­нородность чувствительности элементов МПИ, которая искажает вид сигналов, исполь­зуемых для получения ФПМ и ФПФ. Другой причиной искажений получаемых резуль­татов может быть нелинейность зависимости выходного сигнала АГВЫХ от изменения температуры излучателя АТ (тест-объекта). Поэтому измерениям ФПМ может предше­ствовать определение зависимости ДГВЫХ/ДГ, чтобы обеспечить измерение ФПМ в ли­нейном диапазоне этой зависимости.

Если рассматривать всю систему, представленную на рис. 12.1, состоящей из звень­ев (тест-объект, коллиматор, ИКС, система считывания сигналов), работающих в ли­нейном режиме и инвариантных к линейным сдвигам, то на выходе системы ФПМ Овьк(/х) можно представить в виде произведений ФПМ этих звеньев:

<?„(/,) = ОмхШ/х)СшЛ/.)Ск Ю,

Где Ото, Ск, Сикс> Ссс - ФПМ соответственно тест-объекта, коллиматора, испытуемой ИКС и схемы считывания сигналов.

Отсюда искомая ФПМ испытуемой ИКС

У~< / /• _________________ (/г )

Жс * СМЖЮСМ'

Для тест-объекта в виде щели шириной Ду функция Ото(/^) = 8т(7гД|/ /х)/(пА\1 /х) и ее влияние на вид Оных(Л) увеличивается по мере увеличения Д|/. Иными словами, жела­тельно иметь тест-объект меньшего размера.

Если размер выходного зрачка коллиматора превышает размер выходного зрачка ИКС, часто принимают ФПМ коллиматора Ок(Л) = 1 в рабочей полосе пространствен­ных частот /х. Аналогичное значение часто приписывается ФПМ схемы считывания, если выходной сигнал оценивается в аналоговой форме (отсутствует выборка сигнала при его оцифровке), т. е. Ссс(/Х) = 1.

Напомним, что пространственную частоту /, измеряемую в периодах на радиан, преобразуют во временную (электрическую) частоту / измеряемую в герцах, при из­вестной скорости просмотра углового поля V в радианах на 1 с по известной формуле

F=vfx.

Иногда ФПМ определяют только для одной пространственной частоты /0, называе­мой нулевой, причем /о = 1/(2соэ). При коэффициенте заполнения МПИ еЦХ3 - 1 эта час­тота равна частоте Найквиста/^, т. е./о ~/ы (см. рис. 9.4).

Для систем, работающих в достаточно широком спектральном диапазоне и обла­дающих хроматизмом, ФПМ зависит от длины волн, что следует учитывать при ее экс­периментальном определении.

Помимо влияния на выходной сигнал выборки, выполняемой МПИ, при нахождении ФПМ необходимо учитывать выборку сигнала, осуществляемую в электронном тракте испытательного стенда, например в АЦП системы считывания и обработки сигналов (см. рис. 12.1). Для уменьшения вредного влияния фазовых эффектов, возникающих при выборке отдельных значений импульсной реакции испытуемой системы, тактовая частота АЦП может быть очень большой (до 100 МГц и более) [144]. Другим блоком испытательной аппаратуры, к которому по той же причине предъявляются повышен­ные требования, является система считывания информации с выхода испытательного стенда, например с монитора.

Как уже отмечалось, очень важно стабилизировать положение излучателя, тест - объекта, коллиматора и испытуемой ИКС, т. е. исключить влияние вибрации и других механических воздействий на стенд в процессе испытаний. Если это не сделано, ре­зультаты измерений ФПМ и ФПК могут быть весьма недостоверными. То же самое следует сказать о шумах в электронных звеньях испытательной установки, которые следует сводить к минимуму, поскольку для нахождения ФПМ часто требуется обеспе­чивать отношение сигнал-шум более 500 [144].

Учитывая, что при определении ФПМ на достаточно больших пространственных частотах, которые характеризуют предельное геометрооптическое разрешение ИКС, уровни сигналов весьма малы, важно свести к минимуму уровень шума (шумовой пьедестал), уменьшить, по возможности, случайную составляющую шумов, найти спектр шума (спектральную плотность мощности шума в полосе частот, где работает система).