Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по системам обработки сигналов и алгоритмам компенсации геометрического шума фотоприемных устройств ИК-диапазона 17
1.1 Обзор систем обработки сигналов для фотоприемников ИК-диапазона 17
1.1.1 Системы цифровой обработки сигналов 17
1.1.2 Модули систем обработки сигналов широкого применения 24
1.1.3 Отечественные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона 27
1.1.4 Зарубежные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона 32
1.1.5 Перспективы построения СОЭС по итогам обзора систем обработки сигналов для фотоприемников ИК-диапазона 36
1.2 Обзор алгоритмов коррекции геометрическогоапума тепловизионного изображения 39
1.2.1 Причины возникновения и алгоритмы коррекции геометрического шума тепловизионного изображения 39
1.2.2 Алгоритмы коррекции неравномерности чувствительности и компенсации постоянной-составляющей элементов матричных КРТ фотоприемников х : : 40
1.2.3 Алгоритмы обнаружения и компенсации дефектных элементов матричных ИК-фотоприемников 47
1.3 Выводы к разделу 1 50
2 Исследование шума и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ в различных температурных режимах 52
2.1 Экспериментальная установка для измерений шума и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-прие ников на основе КРТ. Условия и методика проведения измерений 52
2.2 Исследование шума сигнала и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ 55
2.2.1 Результаты эксперимента по исследованию шума сигнала фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ 55
2.2.2 Результаты эксперимента по исследованию чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ 62
2.2.3 Разработка алгоритма обнаружения дефектных по шуму элементов матричного ИК-приемника на основефотодиодов из КРТ 66
2.2.4 Результаты эксперимента по исследованию дефектных по шуму фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ 74
2.2.5 Разработка алгоритма обнаружения дефектных по чувствительности элементов матричного ИК-приемника на основе фотодиодов из КРТ 81
2.2.6 Результаты эксперимента по исследованию дефектных по чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ. 91
2.3 Выводы к разделу 2 100
3 Разработка и реализация в тепловизионных приборах системы оптико-электронной обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе фотодиодов из КРТ 102
3.1 Методика и результаты расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП «смотрящего» типа при работе по однородному и неоднородному полю теплового излучения 102
3.1.1 Методические.основы анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа 102
3.1.2 Исходные данные для проведения расчетов пороговой температурной чувствительности тепловизора «смотрящего» типа 103
3.1.3 Анализ результатов расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП при работе по усредненному полю теплового излучения.сцены 105
3.1.4 Методика анализа температурной чувствительности ТВП при воздействии помех неоднородного фона 106
3.1.5 Оценка влияния неоднородности поля теплового излучения окружающего фона на значение чувствительности ТВП 108
3.2 Методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников по сцене наблюдения 111
3.3 Адаптивный алгоритм компенсации дефектных элементов матричного КРТ фотоприемника 116 3.4 Способ, устройство, алгоритм работы, функциональная
и электрическая принципиальная схемы системы оптико-электронной обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона 122
3.5 Перспективная система визуализации инфракрасного изображения для матричных ТВП 134
3.6 Выводы к разделу 3 141
Заключение 143
Список использованных источников 146
- Зарубежные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона
- Алгоритмы коррекции неравномерности чувствительности и компенсации постоянной-составляющей элементов матричных КРТ фотоприемников
- Результаты эксперимента по исследованию шума сигнала фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ
- Методические.основы анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа
Введение к работе
Актуальность темы исследования. ±$ настоящее время тепловизионные приборы принято делить на три поколения. Поколения приборов различаются способом сканирования поля обзора и используемой элементной базой, однако, так как основным функциональным узлом любой ИК-системы является фотоприемное устройство (ФПУ), в основу деления тегшовизионных приборов (ТВП) по поколениям, прежде всего, положено число элементов в используемом фотоприемнике.
В приборах первого поколения использованы линейки фотоприемников с малым числом чувствительных элементов (от 4 до 180 элементов), сканирование оптико-механическое, высокоточное, двухмерное. Приборы второго поколения характеризуются использованием многорядных линеек с большим числом чувствительных элементов (от 96 х 4 до 576 х 7 элементов), сканирование в одном направлении - оптико-механическое, в другом - электронное. В приборах третьего поколения применяются матричные ФПУ разного типа, как охлаждаемые (от 128x128 до 640x512), так и неохлаждаемые (от 100 х 100 до 640 х 480), сканирование электронное, двухмерное.
Тенденция увеличения количества чувствительных элементов ФПУ с применением системы сканирования поля обзора влечет за собой увеличение плотности тепловизионного видеопотока, поступающего с фотоприемника. В связи с этим приобретает актуальность вопрос создания высокопроизводительной системы оптико-электронной обработки сигналов, способной обрабатывать сигнал, получаемый от матричного фотоприемника размером, как минимум, 640 х 480 элементов.
Также, для повышения экономической эффективности создания ТВП, требуется, чтобы система сохраняла все свои функциональные возможности при ее применении совместно с приемниками разного разрешения, различной степени дефектности и неравномерности чувствительности фотоэлементов.
В свою очередь, применение единой системы обработки сигналов для различных ФПУ требует применения алгоритмов и методов, способных учитывать текущие характеристики применяемого приемника и эффективно устранять остаточный геометрический шум (ГШ) изображения. Здесь под остаточным ГШ понимается помеха в виде необнаруженных дефектных элементов (ДЭ) или неравномерности чувствительности фотоэлементов (НЧФ), визуально воспринимаемая оператором при обнаружении малоконтрастных объектов.
Так, элементы ФПУ, проявляющие себя на изображении как шумящие или мерцающие, через некоторое время работы прибора приобретают параметры, свойственные большинству фотоэлементов приемника. Причем при каждом новом цикле охлаждения приемника от 293 до 77 К состояние шумящих элементов также изменяется. Аналогичная ситуация наблюдается для чувствительных и нечувствительных элементов приемника.
Вместе с тем, анализ научно-технической и патентной литературы показал существование двух противоположных утверждений о стабильности поведения структуры КРТ, как подтверждающих, так и опровергающих нестабильность твердых растворов КРТ по отношению к температурным и механическим воздействиям, а также по отношению к качеству структуры полупроводникового материала.
Предприятие Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ» разрабатывает на основе фотоприемников КРТ тепловизионные приборы, при этом номенклатуру применяемых охлаждаемых приемников составляет широкий спектр изделий, отличающихся производителем, технологией изготовления, размером и характеристиками. Причем информация о стабильности свойств элементов приемников в представляемой производителем документации отсутствует.
В этой связи, с целью эффективного применения алгоритмов обнаружения ДЭ и подавления остаточного ГШ, способных работать со всем спектром используемых ФПУ, вопрос создания оптико-электронной системы обработки сигналов требует изучения стабильности параметров диодов КРТ в используемых фотоприемниках.
Степень разработанности проблемы. В настоящее время достигнут немалый прогресс в области разработки систем тепловидения и ТВП на основе матричного фотоприемного устройства (МФПУ) в частности. Здесь следует отметить наиболее значимый вклад в этой области таких ученых, как Мирош-ников М.М., Жуков А.Г., Ллойд Д., Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г., Алеев P.M., Гибин И.С., Иванов В.П., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Современное состояние вопросов теории и практики разработки ТВП, на наш взгляд, отражено в монографиях и статьях этих ученых.
Прикладные аспекты построения ТВП подробно рассматриваются в трудах Болтаря К.О., Солякова В.Н., Бурлакова И.Д. и Филачева A.M. Особое внимание авторы уделяют вопросам совершенствования методов коррекции неравномерности фоточувствительности, а также обнаружения и компенсации дефектных фотоэлементов приемников.
Здесь следует констатировать недостаточность проработки вопросов создания простых, но эффективных методов коррекции остаточного геометрического шума теплового изображения. Отсутствует целостный подход к вопросам унификации системы визуализации для ТВП и ее реализации. В связи с этим возникает необходимость создания соответствующего научно-методического инструментария.
Недостаточная разработанность различных аспектов поставленной проблемы, теоретическая и практическая значимость ее решения определили выбор темы диссертационного исследования, его цель, задачи, логику и структурное построение.
Целью диссертации является разработка и исследование системы оптико-электронной обработки сигналов (СОЭОС) многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона и алгоритмов их анализа, направленных на устранение остаточного геометрического шума в виде дефектных элементов и нерав-
номерности чувствительности фотоприемника, визуально воспринимаемого оператором при наблюдении малоконтрастных объектов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
выполнить обзор и провести анализ современных систем обработки сигналов для тепловизионных приборов и современных алгоритмов коррекции тепловизионного изображения;
-
разработать методику и провести экспериментальные исследования характеристик сигнала чувствительных элементов КРТ фотоприемников, разработать алгоритмы обнаружения ДЭ и исследовать их поведение в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К;
-
разработать способ и алгоритм оптико-электронной обработки сигналов, обеспечивающие эффективное функционирование СОЭОС и направленные на подавление остаточного геометрического шума в виде ДЭ и НЧФ приемника;
-
разработать способ, устройство, алгоритм работы, функциональную и электрическую схемы системы оптико-электронной обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона, устойчивые к различиям в технических характеристиках применяемых ФПУ.
Теоретическая и методологическая база исследования. Теоретической и методологической основой настоящей работы являются физическое и оптико-электронное представление теории и принципов построения тепловизионных приборов и их составных элементов, использующих законы и свойства теплового излучения реальных тел, а также принципы функционирования матричных ИК-фотоприемников, оптико-электронных приборов и систем.
Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования являются алгоритмы подавления ГШ фотоприемников и системы обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе КРТ. Его предмет составляют насущные вопросы методов коррекции остаточного ГШ и принципов построения системы оптико-электронной обработки сигналов многоэлементного ФПУ ИК-диапазона, способного поддерживать работу с приемниками разного типа, при минимальном энергопотреблении и габаритах, максимальной производительности и гибкости системы обработки сигналов.
Информационная база исследования. При выполнении диссертационной работы использованы результаты международных и российских исследований, представленных в открытой печати и сети Интернет и проводимых различными организациями, среди которых следует отметить Федеральное государственное унитарное предприятие НПО «Орион», Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, Сибирский научно-исследовательский институт оптических систем, Государственный Оптический Институт им. СИ. Вавилова, НПО «Государственный институт прикладной оптики», Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт «Циклон» и зарубежную компанию FLIR Systems (США).
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
разработана методика и проведены экспериментальные исследования характеристик сигнала чувствительных элементов КРТ фотоприемников, разработаны алгоритмы обнаружения ДЭ, что позволило анализировать неустойчивое поведение пикселей в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К;
-
исследована методика, основанная на применении оптической расфокусирующей системы и позволяющая повысить надежность компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников;
-
разработан и исследован способ компенсации дефектных элементов ФПУ, основанный на применении адаптивного к скорректированному по чувствительности видеопотоку цифрового фильтра, что позволило обеспечить надежную компенсацию дефектных элементов независимо от контрастности наблюдаемых сцен и добиться независимости качества компенсации от нестабильности фотодиодов на основе КРТ; на способ компенсации получен патент РФ на изобретение № 2412554;
-
разработаны и исследованы способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы системы оптико-электронной обработки сигналов, устойчивые к различиям в технических характеристиках применяемых ФПУ; по заявке № 2009147879 на способ и устройство обработки сигналов фотоприемника получено положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу патента РФ на изобретение;
-
разработана и исследована система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров, поддерживающая устойчивую работу с ФПУ разного типа и позволяющая добавлять функциональные узлы конкретных схем тепловизоров; на систему визуализации получен патент РФ на полезную модель №98311.
Защищаемые положения:
-
методика исследования характеристик сигнала элементов КРТ фотоприемников, алгоритмы обнаружения ДЭ и результаты исследования их поведения в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К;
-
методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников по сцене наблюдения, основанная на применении оптической расфокусирующей системы;
-
способ компенсации дефектных элементов ФПУ, основанный на использовании адаптивного фильтра и обеспечивающий их надежное и качественное подавление независимо от контрастности наблюдаемых сцен и от нестабильности фотодиодов КРТ;
4) способ, устройство, функциональная и электрическая схемы системы
оптико-электронной обработки сигналов, устойчивые к различиям в техниче
ских характеристиках применяемых ФПУ;
5) система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров, поддерживающая устойчивую работу с ФПУ разного типа и позволяющая добавлять функциональные узлы конкретных схем тепловизоров.
Научная значимость диссертации определяется тем, что выносимые на защиту положения, обоснованные в диссертации, дополняют и расширяют теоретические основы функционирования тепловизионных приборов и их составных элементов, развивают методологическую базу и представляют комплексное решение научных задач систем тепловидения.
Практическая значимость диссертации состоит в следующем:
-
результаты исследования характеристик сигнала элементов фото приемников, алгоритм обнаружения дефектных элементов и результаты исследования их поведения в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К могут использоваться в тепловидении и других приложениях оптико-электронной обработки сигналов для устранения геометрического шума изображения;
-
методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ приемников по сцене наблюдения, основанная на применении оптической расфокусирующей системы, может быть использована в тепловидении для устранения геометрического шума в виде неравномерности чувствительности фотоэлементов приемника;
-
способ компенсации дефектных элементов матричных КРТ фотоприемников, основанный на использовании адаптивного фильтра, может быть использован в тепловидении для устранения геометрического шума в виде дефектных элементов приемника;
-
разработанная и изготовленная система оптико-электронной обработки сигналов, поддерживающая работу с матричными ФПУ разного типа, без изменения конструкции системы и необходимости перепрограммирования ее элементов может быть применена для построения ТВП в различных предприятиях, НИИ и КБ;
-
разработанная и изготовленная система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров позволяет повысить надежность, расширить возможности использования системы в отношении ассортимента тепловизоров, повысить унификацию и снизить удельную трудоемкость при разработке и эксплуатации системы;
-
материалы диссертации внедрены в производственный процесс ОАО «ПО «НПЗ» и учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Твердотельная электроника, комплексированные изделия, экономика и управление научными разработками и производством изделий электронной техники» (Москва, 2005 г., ФГУП НПП «Пульсар»), ХГХ Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2006 г., ФГУП «НПО «Орион»), 11-й Российской научно-технической конференции «Электроника, микро- и на-ноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009 г.), VI научно-технической конфе-
ренции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (Адлер, 2009 г.), XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2010 г., ФГУП «НПО «Орион»), на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2010», «ГЕО-Сибирь-2011» и научно-техническом семинаре кафедры оптико-электронных приборов СГГА.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 12 научных трудов, из них 7 статей опубликованы в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобрнауки РФ. Пять статей опубликованы в журнале «Прикладная физика», одна статья - в журнале «Электронная техника», одна статья - в журнале «Наукоемкие технологии», две статьи - в сборниках материалов Международных научных конгрессов «ГЕО-Сибирь-2010» и «ГЕО-Сибирь-2011». Кроме того, получены патент РФ № 98311 на полезную модель, патент РФ на изобретение № 2412554, атакже положительное решение от 27.01.2011 г. на вьщачу патента РФ на изобретение по заявке № 2009147879.
Методика измерений и экспериментальные исследования характеристик сигнала чувствительных элементов КРТ фотоприемников, анализ полученных результатов, разработка и исследование способа и методики компенсации ГШ, способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы СОЭОС, разработка и исследование системы визуализации инфракрасного изображения для матричных ТВП выполнены лично диссертантом. В работах, выполненных в соавторстве, анализ методик расчетов и экспериментов, проведение расчетов и экспериментальных исследований, интерпретация результатов выполнены лично диссертантом.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 90 наименований, и приложений. Общий объем работы составляет 185 страниц (объем основного текста - 155 страниц). Работа содержит одну таблицу, 59 рисунков, 9 приложений.
Зарубежные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона
Производительность системы ЦОС определяют два фактора [22]. Первый -архитектура построения системы, подразумевающая принципы взаимодействия между собой фазличных элементов системы. Второй - применяемая элементная база, такие как элементы памяти, интерфейсов и периферии, однако здесь принципиальным фактором, определяющим, показатели производительности, является? используемое ядро системы - элемент (или элементы)- на основе которого строится вся система ЦОС и который главным образом, участвует в реализации алгоритмов обработки сигналов. В настоящее время, по основному (базовому) элементу, выполняющему цифровую обработку, системы ЦОС можнофазделить на шесть»групп: — система-обработки сигналов на основе процессоров ЦОС (DSP); — система обработки сигналов на основе ПЛИС; — система обработки сигналов на основе совместного использования ПЛИС и DSP; — система обработки сигналов на основе SOC; — система обработки сигналов на основе ASIC; — система обработки сигналов на основе нейровычислителей. Система на основе DSP. Традиционным является подход, при котором при разработке систем цифровой обработки сигналов используются DSP — сигнальные процессоры общего или специализированного назначения, а требуемые специфические алгоритмы обработки реализуются программно (в основном на языке «Си») [33]. Зачастую это связано с тем, что СПОН достаточно распространены и доступны на рынке, имеют привлекательные цены. Главным преимуществом систем обработки сигналов построенных на СПОН является гибкость системы, возможность реализации адаптивных и обучающихся алгоритмов. Кроме того, отладочные средства начального уровня недороги, достаточна информационная поддержка, выпущена литература на русском языке по их применению [79].
Вместе с тем, СПОН имеют ряд недостатков, которые приходится учитывать при разработке новых изделий. Во-первых, каждое семейство СПОН имеет собственные коды команд, что делает практически невозможным перенос реализованного алгоритма на сигнальные процессоры других семейств или создание универсальных библиотек алгоритмов. Существующие компиляторы с языков высокого уровня, например «Си», также ориентированы на конкретные процессоры и не решают данную проблему. Во-вторых, производительности большинства современных DSP, как правило, не-хватает для, однокристальной реализации алгоритмов ЦОС и, как следствие, возникает необходимость построения многопроцессорных систем на базе однокристальных цифровых процессоров обработки сигналов с присущей сложностью сопряжения нескольких процессоров И отладкой их функционирования в. реальном масштабе времени.
В настоящее время предлагается широкий спектр цифровых сигнальных процессоров общего и специализированного назначения представленный четырьмя основными производителями процессоров цифровой обработки сигналов: Texas Instruments, Analog Devices, Lucent и Motorola. Отдельно следует отметить НТЦ «Модуль», производителя отечественного процессора Л1879ВМ1 (NM6403). Процессор Л1879ВМ1 представляет собой высокопроизводительный специализированный микропроцессор, ориентированный на эффективное выполнение векторно-матричных операций над данными переменной разрядности от 1 до 64 бит в системах цифровой обработки сигналов и искусственных нейронных сетей. Система на осьсоее ПЛИС. В последнее время, для решения задач ЦОС, все чаще можно на_5людать применение аппаратных методов, основанных на использовании программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) с архитектурой FPG- A. в качестве препроцессоров и сопроцессоров [28, 33]. Такой подход позволяет получить существенный прирост производительности, снизить стоимость и потребляемую мощность системы. Однако его повсеместному распространенною препятствует то, что разработчики DSP — систем не всегда имеют опыт проеіЕстирования на базе FPGA.
Архитектура FPCJA обладает большой гибкостью, на ее базе можно реа-лизовывать распараллеливание алгоритмов обработки данных, что позволяет существенно ПОВЬІСІЕЇТЬ производительность всей DSP-системы. Наиболее типичные примеры такого использования FPGA — реализация КИХ-фильтров и алгоритмов быстрого преобразования Фурье [58].
Система на осъсове совместного использования ПЛИС и DSP. Системы SOC. При построении системы ЦОС операции, требующие высокоскоростной обработки данных в параллельном режиме, реализуются на базе FPGA, а операции высокоскоростной последовательной обработки — с помощью DSP — процессоров [33]. Гибкость архитектуры;ПЛИС FPGA позволяет организовать ускорение и параллельную обработку данных различными способами, а программирование на язі&іках высокого уровня для DSP позволяет упростить написание и отладку слоясных последовательных алгоритмов.
Кроме того, дополнительные возможности для повышения производительности и ГИ6КОСТЕС системы, а также оптимального распределения функций в системе предоставляют системы обработки сигналов на базе SOC. ПЛИС является одним из вариантов построения «системы на кристалле» [79]. В «основе идеи SOC лежит всытеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ПЛИС такой чип объединяет процессор, память и т. д.). Компоненты этих снсггем разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых іч-іодулей. Одновременно с появлением концепции системы на кристалле возникли идеи создания методологии проектирования на основе унифицированных наборов готовых базовых блоков (платформ). Интерфейсы компонентов платформы (процессоров, блоков памяти и управления, шинных интерфейсов и др.) в рамках достаточно широкого класса задач должны быть унифицированы, чтобы новые устройства можно было «собирать» из блоков, как конструктор. Причем «собирать» на системном уровне, уровне функционального описания, проводя анализ и глобальную оптимизацию всей системы в целом, а далее использовать готовые аппаратные решения, заложенные в описаниях базовых блоков (ІР-блоков).
Система на основе ASIC. Одной из разновидностей «систем на кристалле» является реализация узлов системы на микросхемах класса ASIC. Здесь существует целый ряд микросхем и алгоритмов, которые практически являются стандартными и в больших количествах повторяются от разработки к разработке. Примером их могут служить узлы массовых коммуникационных средств, компоненты систем мультимедиа и видеообработки для массовых компьютеров и т. п.
Решения на базе заказных микросхем обеспечивают высокую- производительность при самом низком энергопотреблении и стоимости за единицу продукции. Однако с микросхемами ASIC связан ряд проблем. Одна из них -это высокая стоимость разработки и большие затраты времени. Для компенсации затрат на разработку требуются чрезмерно высокие объемы реализации. Другая проблема, связанная с такими микросхемами - это их недостаточная гибкость. Отличаясь длительным циклом разработки, ASIC не обеспечивают эффективное реагирование на быстро изменяющиеся запросы потребителей.
Алгоритмы коррекции неравномерности чувствительности и компенсации постоянной-составляющей элементов матричных КРТ фотоприемников
Элемент 147 имеет более равномерное изменение шума, в течение всего времени, наблюдения. Для- элемента 146 наблюдается два резких изменения шума в день 2 и 12. Рисунок 3 позволяет отметить, что похожая картина наблюдается и для других пикселей.
На рисунках 7—9 показано поведение сигнала элемента 146 строки 2 приемника «А» при температуре АЧТ равной 303 К. СКО шума для рисунков составляет 2,0713, 9,426 и 2,1418 соответственно, т. е. изменение шума элемента 146 составляет 4-5 раз. Разница между измерениями для рисунков 7 и 8 составляет 2 дня, для рисунков 7 и 9 составляет 5 дней, для рисунков 8 и 9 составляет 7 дней. Графики рисунков 3 и 4 позволяет говорить о том, что при циклах заморозки в день 2 и день 12 происходят изменение электрических параметров ФПУ. При этом происходит значительное увеличение шума сигнала элемента. Дни, когда значительных изменений шума элементов не наблюдается, СКО шума элемента колеблется в диапазоне от двух до трех (рисунок 4).
Результаты эксперимента по исследованию чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ
Изучение поведения чувствительности элементов ФПУ основано на вычислении приращения сигнала элемента при изменении потока излучения на заданную величину. Предложенная методика состоит в следующем:
Рассматриваются следующие диапазоны температур: диапазон 1: от 283 К до 293 К, диапазон 2: от 293 К до 303 К, диапазон 3: от 303 К до 313 К, диапазон 4: от 313 К до 323 К. Для исключения резких изменений значений сигнала A U "- по строке, т. е. исключения сигнала элементов с чувствительностью, значительно отличающейся от чувствительности элементов по маске из пяти элементов, вычисляется медиана mUffi = medfilt(AUJ"f)) вдоль каждой строки массива
2. Вычисляются вариации чувствительности элементов строк ФПУ относительно некоторых средних значений массива тЩп? : M}f)=mt/}f)-AC/}f).
3. Вычисление AS j производилось для каждого дня наблюдения #, для массивов Ujj iT fr), где т = 0. По результатам обработки данных полученных в подразделе 2.1 по приведенной методике, были построены графики отображающие поведение сигнала элементов ФПУ.
Так, на рисунках 13, 15, 16 показано изменение значения чувствительности пикселей At/}"- строки 20 приемников «А-С» в течение пятнадцати дней, для температурного диапазона nd = 2. Четко наблюдается нестабильность поведения некоторых элементов. Для большей наглядности на рисунке 14 показаны изменения значения чувствительности в течении пятнадцати дней по элементам 144, 145 и 145 строки 20 для ФПУ «А», для температурного диапазона nd = 2. Здесь, в отличие от элементов 145 и 146, элемент 144 проявляет значительное изменение чувствительности через несколько циклов заморозки ФПУ. «
Приращения сигналов фотоэлементов At/,- j за 15 дней наблюдения. Строка 20. Приемник «А»: номер дня наблюдения; / - порядковый номер элемента в строке Элемент 145 и 146 имеют более равномерное изменение чувствительности, в течение всего времени наблюдения. Для элемента 144 наблюдается четыре резких изменения чувствительности в дни 1, 6, 10 и 14. Причем указанные изменения составляют более чем 3,2. Это позволяет сказать о проявлении на изображении темных или светлых точек на месте элемента 144 строки 20 ФПУ. Рисунок 13 показывает, что похожая картина наблюдается и для других пикселей.
Разработка алгоритма обнаружения дефектных по шуму элементов матричного ИК-приемника на основе фотодиодов из КРТ
Предварительный анализ.массивов данных с используемых ФПУ (см. подраздел 2.1) позволил выделить следующие группы дефектных элементов: а) шумящие элементы; б) элементы с постоянным уровнем сигнала; в) элементы с чувствительностью, существенно превышающей пределы установленных порогов неравномерности чувствительности по всейматрице. Категория дрейфующих ДЭ приведенная в. [7, 13] в настоящей работе не рассматривается, так как данные элементы являются рабочими. При регулярном обновлении темнового кадра U\ / (кадра компенсации фоновой составляющей) указанные элементы как дефектные себя не проявляют, и их отклик является адекватным наблюдаемой сцене.
Основная проблема обнаружения дефектных по шуму элементов состоит в необходимости учета дрейфа (рисунок 2) сигнала элементов ФПУ, необходимая для исключения погрешности обнаружения ДЭ [7] и [13]. Так, при малых временах gt и Т (t — время между кадрами, Т - общее время выборки), ошибка дрейфа уменьшается, но шумящие (мерцающие) пиксели с частотой шума менее времени выборки не поддаются обнаружению.
На рисунке 17 и рисунке 18 приведены распределения по выборке М = 99 значений сигналов пикселя и строки соответственно для первого дня наблюдения (значения приведены в относительных единицах, по методике описанной в подразделе 2.2.1). При этом четко видны значения сигнала, которые соответствуют мерцающим и шумящим элементам. На рисунке 17, в области 19-й выборки, наблюдается существенный провал значения сигнала. Это позволяет говорить либо о медленном «мерцании» элемента, либо об электрической помехе, воздействующей на систему. Также из представленных рисунков видно, что частоту выборки не имеет смысла повышать более чем один раз в 5 секунд, так как дефектные элементы, шумящие на низкой частоте, на изображении проявляются более резко [7]. Но, тем не менее, при необходимости уменьшением времени ї можно обеспечить обнаружение элементов с частотой шума до 25 Гц, кратной кадровой частоте ТВ монитора.
Результаты эксперимента по исследованию шума сигнала фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ
Методика и результаты расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП «смотрящего» типа при? работе по однородному и неоднородному полю теплового излучения Методические основы анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа:
В ТВП «смотрящего» типа используются; матричные приемники излучения которым присущ геометрический шум, заключающийсят наличии дефекта ных фоточувствительных элементов и НЧФ;
Размеры, «геометрия» и топология МПИ? формируют поле зрения; ТВП; число и форму мгновенных полей Зрения2,Приэтом в поле зрения всегда, попа-даетизлучение фона.
Наличие ЗТИХІ особенностей формируют следующие аспекты для ТВП как прибора для анализа тепловых полей объектов и сопутствующих; фонов: 1)в общем случае, как бы теряет смысл понятие «эквивалентнаяфазность температур» &Тпор тепловизора, которое понятно применительно к тепловизо рамТ-го,и2-гопоколениши представляется в виде его параметра;; 2): в поле зрения: ТВП обязательно наличие поля температур как объекта, так и фона, которые должны быть учтены; 3) в целом; формируются условия для оценки как температурной; чувствительности по усредненному полю теплового излучения всей сцены наблюдения, так и ее вариации (изменчивости) из-за неоднородности теплового излучения фона.
Исходные данные для проведения расчетов пороговой температурной чувствительности тепловизора «смотрящего» типа
Для проведения расчетов пороговой разности температур тепловизора «смотрящего» типа были выбраны следующие исходные данные оптико-электронной схемы тепловизора построенного на основе матричного фотоприемника производства фирмы ««Софрадир»» MARS LW LS5. При этом заднее фокусное расстояние объектива прибора составляет / = 30 мм. Мгновенные углы поля зрения ТВП составляют: а = а // = 8,333 КГ5; /? = b/f- 8,333 Ю-5. Согласно схеме прибора и паспортным данным основные параметры фотоприемника MARS LW LS5 и оптической системы следующие:
Расчет температурной чувствительности по усредненному однородному полю рассматривается при следующих условиях:
Для расчета температурной чувствительности тепловизора, работающего по усредненному полю излучения воспользуемся методикой, которая приведена в работах [48, 49]. Методика основана на расчете пороговой разности температур АТпор эквивалентной уровню шума, по следующей формуле: Здесь, расчет пороговой температурной чувствительности по однородному полю проводится для Т = Т \ где Т - значение температуры АЧТ, относительно которого получается приращение температуры АТпор.
Анализ результатов расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП при работе по усредненному полю теплового излучения сцены
На рисунке 49 представлены результаты расчетов АТпор ТВП от температуры усредненного объектно-фонового поля температур, которое наблюдается тепловизором. Расчеты проведены с использованием программы «Mathcad», машинная распечатка которой приведена в приложении Е.
Согласно рисунку 49 расчетные значения пороговой температурной чувствительности прибора, по усредненному излучению температурного потока сцены наблюдения в диапазоне температур объекта лежат в диапазоне от 0,07 до 0,061 К.
Методика анализа температурной чувствительности ТВП при воздействии помех неоднородного фона
Методика основана на следующем выражении для пороговой температурной чувствительности тепловизоров при работе по неоднородному объектно-фоновому полю температур [29, 49], которое наблюдается тепловизором:
Оценка влияния неоднородности поля теплового- излучения окружающего фона на значение чувствительности ТВП
Для оценки влияния неоднородности поля теплового излучения окружающего фона на значение чувствительности ТВП по всему полю зрения, на основании данных представленных в [48] выражение для значения Д7 можно
В выражении (46) функция Н(АТпор,Тф) физически характеризует влияние параметров неоднородности поля температур фона на значение пороговой температурной чувствительности ТВП. Применительно к ТВП на основе ФПУ производства «Софрадир», были проведены расчеты функции Н(АТпор,Тф), в зависимости от параметра АТф. Расчеты проводились с использованием программы «Mathcad». На рисунке 50 приведены результаты расчета функции Н(АТпор,Тф) в зависимости от пара метра АТф, который изменялся в диапазоне температур от 0 до 20 К
Методические.основы анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа
Взависимости от требований, предъявляемых к конкретному тепловизору, в системе визуализации инфракрасного изображения выполняют все три вышеуказанных набора модулей (как показано-на рисунке 58) или выполняют набор модулей обработки, сигналов и набор модулей электрической питания: Последние два набора служат базовой совокупностью наборов модулей, необходимой и достаточной для1 обеспечения, визуализации инфракрасного изображения тепловизора. Наличие набора модулей управления исполнительными системами тепловизора не является-необходимым, для обеспечения визуализации, изображения, этот набор модулей может присутствовать в системе и может быть реализован в той или иной комплектации, соответствующей выполняемой задаче, на решение которой направлено использование тепловизора.. Дополнительные модули служат для осуществления»дополнительных функций в приборе, не являющихся необходимыми и обязательными для работы прибора, однако улучшающими технические характеристики прибора в целом и позволяющими расширить возможности прибора.
Таким образом, в базовом варианте система визуализации ИК-изображения для матричного тепловизора выполнена в составе набора модулей обработки сигналов, а именно, модуля предварительной обработки сигналов и модуля оптико-электронной обработки сигналов, и набора модулей электрического питания, содержащего модуль источника питания, в каждом указанном модуле выполнен микроконтроллер или микропроцессор, указанные модули связаны через микроконтроллеры и микропропроцессор, имеющиеся в каждом из модулей, посредством интерфейса TWI, между модулем предварительной обработки сигналов и модулем оптико-электронной обработки сигналов реализован канал LVDS — цепи сигналов, последовательно от модуля источника питания к модулю оптико-электронной обработки сигнала и от последнего к модулю предварительной обработки сигналов и далее к матричному тепловизору организованы цепи питания. С модуля обработки сигналов по цепям сигналов визуализированное изображение выводится на телевизионный монитор.
В составе каждого модуля, независимо от его принадлежности к конкретному набору модулей, имеется микроконтроллер или микропроцессор, в зависимости от конкретных выполняемых функций модуля, его предназначенности. На основе микроконтроллера или микропроцессора реализуют интерфейс TWI. Указанный интерфейс используется для тестирования модулей и управления модулями центральным процессором - микропроцессором. Центральный процессор выполнен в модуле оптико-электронной-обработки сигналов.
Разъемы питания модуля источника питания выполняют исходя из разбиения электронной системы на функциональные наборы. Здесь может быть выполнено один или более разъемов питания в соответствии с имеющимися функциональными направлениями.
В общем случае выполнения модульной системы визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров она содержит (рисунок 58): модуль системы предварительной обработки сигналов 1, модуль системы оптико-электронной обработки сигналов 2, модуль системы питания 3, микроконтроллер 4 в модуле системы питания, микропроцессор 5 в модуле оптико-электронной обработки сигналов, микроконтроллер 6 в модуле системы предварительной обработки сигналов. Дополнительно система визуализации может быть снабжена модулем системы управления оптической системой 7, в составе которого выполнен микроконтроллер 8, и модулем системы управления сканированием 9, в составе которого выполнен микроконтроллер 10. Указанные модули выполнены в виде отдельных плат.
С набором модулей обработки сигналов связаны матричный фотоприемник 11, регистрирующий ИК-излучение от объекта наблюдения, - с платой модуля системы предварительной обработки сигналов 1 посредством цепей питания 13 и шин 14 и телевизионный монитор 12, на который выводится после обработки визуализируемое ИК-изображение, — с платой модуля оптико-электронной обработки сигналов посредством шин. Между модулем системы предварительной обработки сигналов 1 и модулем системы оптико-электронной обработки» сигналов 2 выполнен канал LVDS 15, обеспечивающий обмен данными между модулем предварительной, обработки сигналов 1 и модулем системы оптико-электронной обработки сигналов 2. Для сокращения количества, и ширины цифровых шин формируют стандартный цифровой поток, принятый для обмена данными в рамках рассматриваемого модуля» системы, что позитивно отражается на масса-габаритных показателях и показателях надежности системы в целом. Данные обмена между модулями обработки сигналов приведены к единому стандарту, который принят для конкретной системы.
Каждый из модулей-1, 2, 3, 7, 9 снабжен, в зависимости от выполняемой им. функции, микроконтроллером или микропроцессором, что позволяет между модулями реализовать интерфейс TWI с помощью встроенных аппаратных функций (при их наличии в микросхеме) или программно (при их отсутствии). Соответственно, наличие микроконтроллера 4, 6, 8, 10 и микропроцессора 5 предназначено обеспечить управление модулями 1, 3, 7, 9 и 2, соответственно, посредством интерфейса TWI - участков интерфейса TWI 18, 16, 20, 22. Микроконтроллеры 4, 6, 8, 10 и микропроцессор 5 посредством участков интерфейса TWI 18, 16, 20, 22 связаныдруг с другом сквозным образом; микроконтроллер 6 связан посредством участка интерфейса TWI 16 с микропроцессором 5, микропроцессор 5 - посредством участка интерфейса TWI 18с микроконтроллером 4, микроконтроллер 4 — посредством участка интерфейса TWI 20 с микроконтроллером 8, последний связан посредством участка интерфейса TWI 22 с микроконтроллером 10, причем порядок в последовательной сквозной связи микроконтроллеров и микропроцессора может отличаться от приведенного. Указанный интерфейс TWI предназначен для тестирования и управления модулями системы центральным процессором-— микропроцессором 5. Интерфейс TWI позволяет центральному процессору системы связать до 128 различных устройств-через одну двухпроводную двунаправленную шину, в которой имеются одна линия — линия» синхронизации (SCL) и вторая линия - линия данных (SDA). При этом в качестве внешних аппаратных компонентов, требуемых для реализации шины, необходимы подтягивающие к «плюсу питания» резисторы на каждой линии шины.. Каждое из. устройств, подключенных к шине, имеет индивидуальный адрес, процедура определения содержимого шины поддерживается протоколом TWI. Наличие интерфейса TWI обеспечивает минимизацию числа проводников между модулями, что существенно влияет в позитивном плане на масса-габаритные показатели модулей; повышение надежности, снижение удельных затрат при эксплуатации системы, достижение унификации, поскольку для.обслуживанияшнтерфейса кроме стандартных микросхем приемопередатчиков не требуется, дополнительных элементов. Каждый модуль имеет два контакта интерфейса TWI на разъеме питания.
Разъемы питания в отношении каждого модуля выполнены так, что любой модуль снабжен двумя разъемами питания, стандартными для всех модулей. Один из разъемов используют для подсоединения модуля к модулю источника питания 3, разъем соединяет земляные шины и шины напряжения питания, вырабатываемого модулем источника питания 3, которые необходимы для питания модулей определенного функционального набора. Второй разъем используют для трассировки питания от модуля источника питания 3 к другим модулям данного функционального набора модулей, на него подаются все напряжения, которые подаются на первый разъем. Оба разъема имеют два контакта интерфейса TWI.
