Разработка и исследование перспективной системыоптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излучения

Кремис Игорь Иванович; Федоринин Виктор Николаевич; Тымкул Василий Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ТЕПЛОВИЗОРАХ С МАТРИЧНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Игорь Иванович Кремис

Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, ул. Николаева, 8, младший научный сотрудник, тел. 8-923-231-6698, e-mail: [email protected]

Виктор Николаевич Федоринин

Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, ул. Николаева, 8, руководитель филиала, тел. (383)-3307-240, факс: 339-17-26, 3309-106, e-mail: [email protected]

Василий Михайлович Тымкул

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-39-37, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрены методика и результаты исследования шума и чувствительности фотоэлементов матричных ФПУ для режимов, при которых наблюдалось неустойчивое поведение пикселей. Предложены методика компенсации постоянной составляющей элементов ФПУ и алгоритм компенсации дефектных элементов ФПУ. Представлены результаты разработки системы оптико-электронной обработки сигналов и системы визуализации инфракрасного изображения устойчивых к различиям в технических характеристиках применяемых ФПУ.

Ключевые слова: фотоприемник, дефектные элементы, тепловизор.

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF PERSPECTIVE SYSTEM FOR OPTICAL-ELECTRONIC PROCESSING OF SIGNALS IN THERMAL IMAGER WITH MATRIX RADIATION RECEIVERS

Igor I. Kremis

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDIAM»), Nikolaeva street, 8, Novosibirsk, scientist, 630090, Russian Federation, tel. 8923-231-6698, e-mail: [email protected]

Viktor N. Fedorinin

Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDIAM»), Nikolaeva street, 8, Novosibirsk, 630090, the head of branch, Russian Federation, tel. (383) 3307-240, e-mail: [email protected]

Vasiliy M. Tymkul

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation, professor, the Department of nanosystems and optotechnique

In this paper we have considered the methods and results of noise and sensitivity study of matrix photodetectors (FPU) photocells for mode, under which the unstable behavior of the pixels

have been observed. Methods for compensations the constant forming of FPU element and algorithm for FPU fault element compensations are proposed. The results of system optometrist-electronic processing signal development and systems for visualizations of infrared images stable for differences in used FPU technical features are presented.

Key words: photodetector, defective elements, thermal imager.

В настоящее время, все более широко применяются тепловизоры на основе матричных приемников излучения. В этой связи, целесообразным является создание системы обработки сигналов, легко адаптируемой к фотоприемникам разного типа.

Кроме того, применение единой системы оптико-электронной обработки сигналов для различных фотоприемников требует применения алгоритмов и методов, которые позволяют учитывать текущие характеристики применяемого фотоприемника и эффективно устранять остаточный геометрический шум изображения. Это в свою очередь требует изучения стабильности параметров диодов КРТ в используемых фотоприемниках.

В экспериментах изучения стабильности параметров фотоэлементов приемника использовались тепловизионные приборы (ТВП), построенные на основе ФПУ производства фирмы «Софрадир» 320 х 256, ИФП СО РАН 320 х 256 и ФГУП «НПО «Орион» 384 х 288. Рабочий диапазон длин волн исследуемых приемников соответствует дальней инфракрасной области от 8 до 14 мкм и колеблется в пределах от Х1 = 7,7 мкм до Х2 = 10,5 мкм.

Предварительный анализ массивов данных, получаемых с ФПУ позволил выделить следующие группы дефектных элементов:

- Дефектные по шуму элементы (ДШЭ);

- Элементы с постоянным уровнем сигнала;

- Дефектные по чувствительности элементы (ДЧЭ) - элементы с чувствительностью, существенно превышающей пределы установленных порогов неравномерности чувствительности по всей матрице.

Для выяснения поведения ДШЭ и ДЧЭ, были проведены исследования шума и чувствительности фотоэлементов ФПУ при режимах приемника, для которых наблюдалось неустойчивое поведение пикселей и выработаны алгоритмы обнаружения элементов с шумом и чувствительностью, превышающими некоторые пороговые значения.

При этом были реализованы следующие методические положения:

1. Выработка алгоритмов обнаружения ДШЭ и ДЧЭ;

2. Исследование шума и чувствительности пикселей при каждом новом включении прибора, т. е. при прохождении полного цикла заморозки ФПУ от 293 до 77 К;

3. Исследование шума и чувствительности пикселей при текущем включении прибора в зависимости от температуры входного потока ИК-излучения;

4. Исследование поведения пикселей обнаруженных по критерию, выработанному в п. 1, дефектных по шуму и чувствительности элементов для условий в соответствии с п. 2 и п. 3.

По результатам обработки данных были получены данные, отображающие поведение шума и чувствительности элементов ФПУ, а также поведение ДШЭ и ДЧЭ [1, 2].

Недостатком существующих алгоритмов обнаружения и компенсации ДЭ, описанных в [3, 4], является необходимость обеспечения дополнительных функций, осуществляющих периодическую, в процессе работы, калибровку прибора, предназначенную для выполнения нового цикла обнаружения дефектных элементов. Это необходимо для учета нестабильности структуры элементов ФПУ на основе КРТ, в результате которой с течением времени на изображении появляются элементы в виде темных или светлых пикселей. Кроме того, указанные алгоритмы предъявляют жесткие требования на качество обнаружения дефектных элементов, поскольку необнаруженные ДЭ будут резко выделяться на малоконтрастных изображениях.

Для устранения вышеуказанных недостатков был разработан алгоритм компенсации дефектных фоточувствительных элементов, адаптивный к шуму фотоприемника [5].

На рис. 1 представлены изображения, показывающие эффективность применения алгоритма.

а) б)

Рис. 1. Изображения полученные: без применения алгоритма компенсации ДЭ (а); с применением алгоритма компенсации ДЭ (б)

Для формирования на фоточувствительной области приемника равномерного теплового фона и выполнения эффективной компенсации постоянной составляющей элементов ФПУ, предлагается методика компенсации, основанная на формировании равномерной засветки ФПУ по сцене наблюдения и при этом не требующая значительных вычислительных ресурсов.

При этом на фоточувствительные элементы ФПУ всегда будет поступать поток излучения, пропорциональный усредненному потоку сцены наблюдения, и, в конечном итоге, это способствует повышению качества тепловизионного изображения (рис. 2). Это также избавляет ТВП от систем контроля и управления опорными источниками излучения и позволяет снизить показатели массы, габаритов, и энергопотребления электронной системы ТВП. При этом исключается время, необходимое для установки величины потока опорного источника, пропорционально входному потоку наблюдения, так как поток, поступающий на ФПУ после элемента расфокусировки, гарантированно пропорционален входному потоку сцены наблюдения, тем самым достигается независимость компенсации постоянной составляющей элементов от динамики изменения потока энергии сцены наблюдения.

а) б)

Рис. 2. Изображения, полученные при компенсации: по металлической заслонке

(а); по сигналам сцены наблюдения (б)

Оптическая эквивалентная схема, поясняющая методику компенсации постоянной составляющей элементов ФПУ, показана на рисунке 3. Сущность методики состоит в том, что компенсацию постоянной составляющей элементов осуществляют посредством введения в оптический тракт ТВП расфокусирующей системы 3. При перемещении расфокусирующей системы из позиции 3 в позицию 3, происходит смещение плоскости изображения 5 в плоскость холодной диафрагмы 4.

Рис. 3. Оптическая эквивалентная схема объектива ТВП с применением

расфокусирующей системы:

1 - наблюдаемая сцена в пространстве предметов; 2 — объектив ТВП; 3, 3 -расфокусирующая система; 4 - плоскость холодной диафрагмы; 5 — плоскость

изображений

При этом на фоточувствительные элементы ФПУ всегда будет поступать поток излучения, пропорциональный усредненному потоку сцены наблюдения,

и, в конечном итоге, это способствует повышению качества тепловизионного изображения (рис. 3). Это также избавляет ТВП от систем контроля и управления опорными источниками излучения и позволяет снизить показатели массы, габаритов, и энергопотребления электронной системы ТВП. При этом исключается время, необходимое для установки величины потока опорного источника, пропорционально входному потоку наблюдения, так как поток, поступающий на ФПУ после элемента расфокусировки, гарантированно пропорционален входному потоку сцены наблюдения, тем самым достигается независимость компенсации постоянной составляющей элементов от динамики изменения потока энергии сцены наблюдения.

Также, на основе предложенной методики компенсации была разработана методика анализа чувствительности ТВП. Методика основана на выражении для пороговой температурной чувствительности тепловизоров при работе по неоднородному объектно-фоновому полю температур и позволяет оценить влияние неоднородности поля излучения на температурную чувствительность ТВП [6].

Разработанная на основе проведенных исследваний перспективная система оптико-электронной обработки сигналов (ПСОЭОС), позволяет поддерживать работу с ФПУ отличающимися производителем, форматом и характеристиками фоточувствительных элементов, без изменения конструкции модуля системы и без необходимости перепрограммирования его элементов. Модуль системы имеет габариты 75х75х8 мм, массу 0,038 кг и потребляет мощность 2,2 Вт.

Для полноценного функционирования системы перспективной оптикоэлектронной обработки сигналов достаточно ее совместного применения с модулем системы предварительной обработки сигналов. При этом для

первоначальной и текущей, в процессе работы, настройки прибора потребуется участие оператора, с целью обеспечения внешних условий калибровки. Наибольшую эффективность применения ПСОЭОС находит в случае его использования в составе модульной системы визуализации инфракрасного изображения для ТВП на основе матричных ФПУ [7].

Модульное построение системы визуализации позволяет производить добавление любых функциональных модулей в целях соответствия требованиям, предъявляемым к конкретному тепловизору, что позволяет добиться следующих показателей применения:

- Повышение надежности;

- Расширение возможностей использования системы в отношении ассортимента тепловизоров, повышение унификации;

- Снижение удельной трудоемкости при разработке и эксплуатации электронной системы.

Таким образом, результатом проведенных исследований фоточувствительных элементов ФПУ, является комплекс разработок, включающий методы и алгоритмы предназначенные для применения в ПСОЭОС, который позволяет снизить габариты, массу и энергопотребление электронной системы ТВП, обеспечивает качественную компенсацию постоянной составляющей фоточувствительных элементов независимо от динамики и диапазона изменения входного потока излучения. Что в конечном итоге способствует повышению эффективности применения ТВП построенных на основе матричных приемников излучения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кремис И.И. Результаты исследования чувствительности фотоэлементов матричных КРТ фотоприемников в различных температурных режимах // Прикладная физика. - 2010. - № 4. - С. 91-99.

2. Кремис И.И. Исследование шума сигнала фотоэлементов матричных фотоприемников в различных температурных режимах // Наукоемкие технологии. - 2010. -№ 2. - Т. 11. - С. 59-70.

3. Болтарь К.О., Грачев Р.В., Полунеев В.В. Определение дефектных элементов матричных тепловизионных приемников в процедуре двухточечной коррекции // Прикладная физика. - 2009. - № 109(1). - С. 42-45.

4. Грачев Р.В. Калибровка параметров тепловизионной матрицы для двухточечной коррекции в блоке электронной обработки на базе микроконтроллера МС-24 // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. - 2008. - Вып. 3. - С.148-156.

5. Пат. № 2412554. Российская Федерация, МПК H04N5/335. Способ компенсации дефектных фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника / Кремис И.И.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. - № 2010102391/09; заявл. 25.01.2010; опубл. 20.02.2011.

6. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Кремис И.И. Методика анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения // ГЕ0-Сибирь-2011. - Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 1.: сб. матер. VII Междунар. науч. конгресса

«ГЕ0-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 25-27.

7. Пат. 98311. Российская Федерация, МПК H04N5/33. Электронная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров / Кремис И.И.; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. - № 2010116724/09; заявл. 27.04.2010; опубл. 10.10.2010.