Инфракрасные системы «смотрящего» типа

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА

Схемы и конструкции программно-аппаратных блоков (электронных трактов) ИКС конкретного назначения могут существенно различаться. Вместе с тем большинство из них содержат узлы, выполняющие однотипные операции по приему и обработке сигна­лов, снимаемых с элементов МПИ. На рис.10.1 приведена типовая структурная схема электронного тракта ИКС «смотрящего» типа.

Первичная обработка сигнала производится в ФПУ, включающем МПИ и схему считывания (СС). Последняя содержит накопительные ячейки, предварительные усили­тели, схемы выборки и хранения сигналов на время их считывания, а также мультип­лексор, который необходим для уплотнения сигналов во времени, чтобы свести к ми­нимуму число выходов с ФПУ. Схема считывания может иметь сотни тысяч и миллио­ны отдельных ячеек соответственно числу опрашиваемых элементов МПИ.

Во многих современных ФПУ обработка сигналов, считываемых с отдельных эле­ментов МПИ, оказывается более сложной, поскольку может включать, например, двойную коррелированную выборку, временную задержку и интегрирование при ска­нировании или микросканировании, защиту схемы считывания от насыщения, вычи­тание из суммарного сигнала (от объекта и фона) среднего значения сигнала от фона. Перечисленные процессы особенно важны при работе ИКС в условиях малого кон­траста между объектом и фоном (в диапазонах 3...5 и 8...14 мкм) и особенно для схем считывания на базе ПЗС, у которых накопительная емкость ячеек считывания невелика. Это объясняется необходимостью, с одной стороны, увеличивать время на­копления сигнала и, с другой - не допускать переполнения потенциальных ям Гос­структуры. В результате усложняется ФПУ, но зато существенно упрощается после­дующий электронный тракт обработки сигналов. Возможные схемы реализации этих методов описаны в литературе [7, 51, 143, 151 и др.].

Схема управления охлаждением, термостабилизацией и контролем однородности

Г‘

Пульт ручного управления коэффициентами усиления, смещения и

Электронным

Масштабированием

МПИ І і 1 1

Ячейки Накопления

Аналоговый Корректор Неоднородности

Предварительные Усилители

Схемы выборки и хранения сигнала (схемы формирования двойной коррелированной выборки)

ЦАП

1ІІ1І

Блок питания

Рис. 10.1. Типовая структурная схема электронного тракта ИКС

На чувствительные элементы МНИ от внешнего источника подается напряжение питания, которое может быть постоянным или импульсным. В последнем случае ис­точник питания тактируется импульсами, поступающими от синхрогенератора, кото­рый и управляет работой электронного тракта.

При использовании охлаждаемых МПИ рабочая температура ФПУ обеспечивается системой криогенного охлаждения, а при неохлаждаемых МПИ — термостабилизацией.

Если в ИКС применяется межкадровая обработка изображений (накопление, вычи­тание и др.), обычно требуется осуществлять выборку и запоминание во времени сиг­налов, получаемых от каждого из последовательно формируемых кадров, перед их счи­
тыванием мультиплексором. Чаще всего для выполнения этих операций используют ключи на базе полевых МОП-транзисторов, фиксирующие конденсаторы и буферные усилители с коэффициентом усиления, близким к единице, которые формируются в од­ном чипе с другими звеньями СС.

Схемы считывания создаются на основе хорошо освоенной кремниевой технологии на базе ПЗС - или комплементарных МОП-структур (КМОП-транзисторов), что позво­ляет обеспечивать высокое разрешение, хорошую чувствительность и малое энергопо­требление. Сравнительный анализ кремниевых схем считывания и мультиплексоров на ПЗС - и МОП-структурах проводился неоднократно [23, 161 и др.].

Схемы на полевых КМОП-транзисторах, которые в последнее десятилетие стали широко применять вместо ПЗС, позволили увеличить полосы пропускания частот, ли­нейность преобразования накопленных зарядов в видеосигнал и отношение сигнал - шум, а также реализовать ряд дополнительных операций по первичной обработке при­нимаемых сигналов. Современная технология обеспечивает больший процент выхода бездефектных КМОП-структур, обладающих хорошей однородностью по кристаллу. Эти структуры успешно работают в широком диапазоне температур (выдерживают ох­лаждение до 10 К и ниже), позволяют работать на высоких частотах вывода данных (десятки мегагерц) и имеют малые габариты.

Полевые КМОП-транзисторы, которые обычно считывают сигналы с пикселов МПИ построчно в параллельном режиме и, как правило, со схемой обработки сигнала, раз­мещенной в каждом столбце матрицы, позволяют заметно разнообразить конструкции схем считывания по сравнению со схемами на ПЗС-структурах. После аналоговой об­работки (выборки и хранения) полученные данные мультиплексируются в АЦП по не­скольким каналам. В ПЗС-структурах происходит последовательная обработка сигна­лов, причем результирующий одноканальный видеосигнал при одинаковых требовани­ях к частоте кадров должен иметь намного большую частоту выборки пикселов. Элек­тронный тракт современных ИКС, выполняющий обработку сигналов с выходов эле­ментов МПИ, позволяет получить на выходе аналоговый видеосигнал или цифровой сигнал с разрешением до 14... 16 бит.

КМОП-структуры, создаваемые в том же кристалле (чипе), что и МПИ на базе КМОП, позволяют заметно уменьшить стоимость и размеры ФПУ; в них использует­ся меньшее число источников питания, чем в ПЗС-структурах; они не требуют повы­шенных напряжений, которые необходимы для систем считывания на ПЗС; потреб­ляемая ими мощность меньше. Однако объединение приемника и аналоговой схемы обработки в одном кристалле усложняет задачу снижения уровня шума, в частности шума выборки (АТС-шума), появляющегося при разряде конденсатора узла считыва­ния. Последовательный процесс считывания в ПЗС-структурах позволяет почти пол­ностью избавиться от шума выборки, применяя схемы двойной коррелированной вы­борки (см. §10.4). Поэтому ФПУ на ПЗС, обладающие меньшими геометрическим шумом и темновым током, а также высокой чувствительностью, до сих пор широко применяются в большом числе ИКС, используемых, например, в научных исследова­ниях и медицине.

В настоящее время при работе ИКС в спектральных диапазонах 3...5 и особенно

8.. . 14 мкм, где поток излучения фона обычно велик, предпочтение отдается КМОП - структурам, поскольку емкость потенциальных ям в ПЗС сравнительно невелика, что ведет к их переполнению.

На выходе мультиплексора помимо полезного сигнала имеются временной (т. е. за­висящий от времени) и инвариантный во времени геометрический шумы. Последний обусловлен неоднородностью параметров чувствительных элементов МПИ и схемы считывания, и его амплитуда обычно во много раз превышает амплитуду полезного сигнала. Для снижения геометрического шума до приемлемого уровня производится специальная обработка сигнала - так называемая компенсация или коррекция неодно­родности, которая может выполняться до преобразования аналоговых сигналов в циф­ровые.

На первой стадии такой обработки в вычитающем усилителе из сигналов, посту­пающих со схемы считывания, вычитаются индивидуальные для каждого пиксела значения постоянной составляющей - пьедестала. Для этого на инвертирующий вы­ход вычитающего усилителя подается напряжение с выхода цифро-аналогового пре­образователя (ЦАП), управляемого цифровым сигнальным процессором. Разностный сигнал преобразуется АЦП в цифровой сигнал и затем обрабатывается цифровым сигнальным процессором. Разрядность такого преобразования во многих современ­ных ИКС должна быть порядка 12... 14 бит при частоте выдачи данных до 10 МГц, а иногда и до 20 МГц. При этой обработке выполняются более точная компенсация не­однородности, коррекция дефектных пикселей, автоматическая регулировка яркости и контрастности, электронное масштабирование изображения, после чего формирует­ся цифровой видеосигнал. При периодически повторяемых процедурах калибровки сигнальный процессор рассчитывает значения коэффициентов коррекции, которые затем сохраняются в ОЗУ.

Режимами работы сигнального процессора, а также параметрами видеосигнала, та­кими как яркость, контрастность, коэффициент электронного масштабирования и др., управляют с пульта управления. Цифровой видеосигнал с помощью видеопроцессора преобразуется в стандартный аналоговый видеосигнал PAL или NTSC.