Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Помехоустойчивость телевизионных астрономических систем на матричных ПЗС 13
1.1. Астрономические телевизионные системы реального времени 13
1.2 Принцип счета фотонов в астрономическом телевидении 17
1.3. Помехоустойчивость астрономических телевизионных систем реального времени... 18
1.4. Современные матричные ПЗС астрономического назначения 25
1.5. Критический обзор методов повышения помехоустойчивости астрономических телекамер на матричных ПЗС 31
1.6. Постановка задач 36
Глава 2. Разработка методов повышения помехоустойчивости совместного обнаружения и оценивания координат точечных объектов 38
2.1 Пути решения задач обнаружения и оценивания координат сигналов точечных объектов 38
2.2. Модель системы наблюдения с дискретизацией оптических сигналов в матричном ПЗС 39
2.3. Обнаружение сигналов точечных объектов 41
2.4. Оценивание координат сигналов точечных объектов 49
2.5. Параллельное считывание с организацией каналов различной четкости 59
2.6. Адаптивное считывание с переменным размером зоны накопления 60
2.7. Выводы по главе 2 64
Глава 3. Разработка метода квантования с повышенной помехоустойчивостью передачи сигнала от телекамеры в процессор 66
3.1. Анализ квантования сигналов в условиях фотонного шума 66
3.2. Метод квантования 75
3.3. Адаптивный групповой счет фотонов 85
3.4. Выводы по главе 3 94
Глава 4. Разработка метода повышения точности оценки темнового сигнала охлаждаемого матричного ПЗС 95
4.1. Мешающее воздействие темнового тока ПЗС 95
4.2. Механизмы образования темнового тока 99
4.3. Оценка темнового сигнала современных матричных ПЗС 102
4.4. Охлаждение ПЗС 111
4.5. Измерение и стабилизация темнового тока матричного ПЗС с помощью метода высокоточного измерения среднего значения 114
4.6. Выводы по главе 4 119
Глава 5. Экспериментальная проверка эффективности разработанных методов повышения помехоустойчивости телевизионных камер на ПЗС 121
5.1. Экспериментальная проверка эффективности разработанного метода адаптивного считывания сигнала с матричного ПЗС 121
5.2. Экспериментальная проверка метода высокоточного измерения среднего значения темнового тока матричных ПЗС 158
5.3. Экспериментальная оценка влияния излучения космического пространства на характеристики темнового тока матричных ПЗС 160
5.4. Выводы по главе 5 166
Заключение 167
Литература 172
- Принцип счета фотонов в астрономическом телевидении
- Обнаружение сигналов точечных объектов
- Адаптивный групповой счет фотонов
- Оценка темнового сигнала современных матричных ПЗС
Введение к работе
Диссертация посвящена решению части крупной научно-технической проблемы повышения помехоустойчивости и информационного согласования с сюжетом телевизионных астрономических систем реального времени, состоящей в решении задач разработки методов управления режимами работы телевизионных камер (ТК) на матричных приборах с зарядовой связью (ПЗС). При этом акцент делается на адаптацию группового счета фотонов в процессах дискретизации и квантования зарядового изображения в условиях априорной неопределенности об интенсивностях и координатах наблюдаемых звезд.
Актуальность темы. Задача повышения помехоустойчивости группового счета фотонов актуальна при построении систем астроориентации, астрометрии и фотометрии, в телевизионных системах для внеатмосферной астрономии, околоземной астрономии, том числе контроля космического пространства (ККП) и адаптивной оптики.
Актуальность исследований связана с существующим дефицитом финансирования космических проектов, побуждающим к разработке приборов, обладающих требуемыми характеристиками, в т. ч. точностью и помехоустойчивостью, при небольших массе и габаритах. Так как стоимость запуска космического аппарата (КА) пропорциональна его массе, а повышение помехоустойчивости эквивалентно уменьшению размеров входного зрачка объектива, определяющего его массу, то повышение помехоустойчивости астрономических ТК имеет не только научные, но и экономические обоснования. Решение задачи повышения помехоустойчивости находится в русле общей проблемы развития оптико-электронных и телевизионных систем, отраженной в программе РФ «Национальная технологическая база», действие которой ранее было предусмотрено на период 2001-2006 год, но в силу ее важности дополненной и продленной до 2010 года. Рассматриваемый класс астрономических ТК реального времени предназначен для обеспечения работы наземных и космических телескопов с большой апертурой и решает задачу формирования оценок параметров точечных источников (звезд или пятен гартмонограммы) за время, существенно меньшее времени наблюдения в главном наблюдательном приборе. Понятие реального
5 времени является обобщением принятого в астрономии «метода коротких экспозиций» с учетом того, что на качество работы ТК влияет не только точность измерения параметров объектов, но и задержка, с которой они передаются в систему управления.
Основой для повышения помехоустойчивости астрономических ТК реального времени, выступающих в роли преобразователей видеоинформации, является их построение как счетчика фотонов, наилучшим образом согласованного с одной стороны с источником зашумленного изображения, а с другой стороны с автоматическим компьютерным получателем. Существенный вклад в решение этой проблемы согласования внесли работы: А. Роуза, Ф.М. Вудворда, А. Боксенберга, СБ. Гуревича, И.И. Цуккермана, СИ. Катаева, Л.И. Хромова и др. специалистов. Данная работа является приложением и развитием их результатов.
Предмет исследования. Рассматриваемый класс астрономических ТК реального времени на матричных ПЗС включает и целевые системы (например, контроля космического пространства) и вспомогательные, предназначенные для обеспечения работы наземных и космических телескопов с большой апертурой. Трудность достижения предельной помехоустойчивости связана с тем, что наблюдению предельно слабых сигналов звезд мешает наличие несколько источников помех: фотонного шума сигнала, фотонного шума фона и собственного шума ТК. Помехоустойчивость ниже рассматривается с позиций концепции счета фотонов А. Роуза и потенциальной помехоустойчивости В. А. Котельникова. Трудности синтеза астрономических ТК связаны с тем, что для очень слабых сигналов может стоять только вопрос об их обнаружении и весьма грубой оценке координат, а при наблюдении более интенсивных сигналов может быть поставлен вопрос о высокоточном (субпиксельном) измерении координат. Это означает, что в астрономических системах реального времени разработчики вынуждены использовать различные критерии качества системы, которые ведут к различным параметрам оптимальной системы наблюдения. Методика разработки астрономических ТК в настоящее время состоит в использовании матричных ПЗС, обладающих большой накопительной способностью (емкостью элемента разложения), большим форматом (числом элементов) и построении видеотракта и устройства ввода в ЭВМ, вносящих минимально возможное количество
ошибок. Анализ состояния отечественных и зарубежных разработок астрономических ТК показывает, что в большинстве случаев основной операцией согласования оптической системы и фотоприемника является выбор соотношения размеров радиуса функции рассеяния точки объективом и размера элемента ПЗС. При этом чаще всего такое согласование преследует цель достижения минимума ошибки измерения координат и, лишь в некоторых случаях при дефиците числа элементов разложения в матричных ПЗС, такое согласование ведут с целью увеличения обнаружительной способности ТК. В телевизионных системах обоих типов для достижения предельной помехоустойчивости необходимо осуществить эффективную борьбу с указанными выше помехами, при чем в большинстве случаев такая борьба должна опираться не только на априорную информацию о полезных сигналах и помехах, но и на прямые результаты наблюдения. Таким образом, астрономические ТК на ПЗС должны быть адаптивными к интенсивностям полезных сигналов и фонов.
Целью диссертационной работы является решение задачи повышения помехоустойчивости астрономических телевизионных камер на ПЗС, работающих в реальном времени, путем оптимизации режимов их работы.
Для решения охарактеризованной задачи необходимо проанализировать особенности процесса группового счета фотонов и разработать методы повышения помехоустойчивости, учитывающие специфику преобразования сигналов в ТК на матричных ПЗС. Такие методы должны явиться следствием решения трех групп задач повышения помехоустойчивости:
Оптимального согласования эффективного размера элемента разложения с радиусом функции рассеяния точки объективом для двух последовательных этапов совместного обнаружения точечных объектов и оценки их координат при различных соотношениях шумов внешнего оптического фона, фотонного шума полезного сигнала точечного объекта и собственного шума ТК, где по одному и тому же количеству принятых фотонов надо выносить два разнородных решения.
Уменьшения требуемой производительности центрального процессора путем использования аналогово-цифрового преобразования с переменным шагом квантования.
3. Минимизации и стабилизации темнового сигнала матричного ПЗС для повышения точности расчета порогов принятия решений в системе управления.
Основные методы исследования. На пути решения поставленной задачи имеются трудности, разрешаемые различными методами, подразделяемыми на три группы: теоретические (методы теории обнаружения и оценивания, теории информации), компьютерного моделирования и экспериментальной оценки помехоустойчивости ТК на матричных ПЗС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Основным научным результатом является разработка метода адаптивного группового счета фотонов в астрономической ТК реального времени, включающего адаптацию зоны накопления (эффективного размера элемента разложения ПЗС) и разрядности квантователя к интенсивностям сигналов наблюдаемых точечных объектов и фона.
Частные результаты:
Обоснована необходимость адаптации эффективного размера элемента разложения к радиусу функции рассеяния точки при совместном решении задач обнаружения точечных объектов и оценки их координат, обусловленная выявленной зависимостью размера зоны накопления при обнаружении точечных объектов от ее потенциального контраста относительно фона и постоянством зоны накопления при оценивании координат.
Разработан метод адаптивного считывания сигнала с ПЗС.
Разработан метод параллельного считывания сигнала с ПЗС.
Обоснован и разработан метод информационного согласования ТК с процессором с помощью аналогово-цифрового преобразования с переменным шагом квантования.
Разработан метод высокоточного измерения темнового сигнала ТК на матричном ПЗС.
Практическая значимость: Практическая значимость полученных результатов определяется выигрышами, достигнутыми в помехоустойчивости астрономических ТК при использовании разработанных методов. В том числе:
Разработанные методы дискретизации в матричном ПЗС, адаптивные к интенсивностям сигналов точечных объектов, позволяют до 2 раз увеличить пороговую чувствительность ТК.
Разработанный метод квантования с переменным шагом для экспоненциальной функции распределения интенсивностей сигналов звезд позволяет в 1,5 раза уменьшить информационный риск при передаче сигнала от ТК в процессор обработки.
Разработанный метод прецизионного измерения среднего значения темнового сигнала матричного ПЗС позволяет на порядок повысить точность формирования оценок принятия решений в системе управления.
Реализация результатов работы:
Разработанные методы нашли применение в ряде экспериментальных аппаратур и НИР:
Макетный образец бортовой телевизионной камеры на матричном ПЗС, разработанный ООО «СКБ телевизионной техники» по договору №К29-2002 от 01.01.2002г. с НТЦ «Восход» (Генеральный Заказчик Институт астрономии «ИНАСАН»). Разработанный макет телевизионной камеры на матричном ПЗС с глубоким охлаждением включает в себя заливной криостат с регулировкой температуры матрицы и используется Заказчиком в составе макетного образца светоприемника камеры поля в видимом диапазоне для отладки программно-алгоритмического обеспечения системы наблюдения в фокальной плоскости телескопа Т-170.
Макетный образец бортовой телевизионной камеры на матричном ПЗС, разработанный ООО «СКБ телевизионной техники» по договору №КЗ 1-2002 от 01.01.2002г. с НТЦ «Восход» (Генеральный Заказчик Институт астрономии «ИНАСАН»). Разработанный макет телевизионной камеры на матричном ПЗС с термоэлектрическим охлаждением (включает в себя двухкаскадный холодильник Пельтье с регулировкой температуры матрицы) используется Заказчиком в составе макетного образца датчика гида для отладки программно-алгоритмического обеспечения системы наблюдения в фокальной плоскости телескопа Т-170.
Результаты данной диссертационной работы были использованы в ходе
9 разработки экспериментального образца ТК на ПЗС в ходе НИР «Оптима» «Исследование возможности создания ТВ камеры на ФПЗС для наблюдения точечных объектов в интересах систем контроля космического пространства (СККП)», проводимой ФГУП «НИИ Телевидения».
Бортовая телевизионная камера на матричном ПЗС, разработанная ООО «СКБ телевизионной техники» по договору №К25-2001 от 30.03.2001г. с НТЦ «Восход» (Генеральный Заказчик НПО им. Лавочкина). Разработанная и поставленная Заказчику телевизионная камера используется в составе стендового комплекта оборудования, предназначенного для оснащения перспективных космических аппаратов средствами телеметрического контроля функционирования механических узлов, эксплуатируемых вне термоконтейнера космического аппарата.
Макетный образец телевизионного оборудования астрономического назначения, включающего в себя три телевизионных камеры на матричных ПЗС, разработанного ООО «СКБ телевизионной техники» по контракту №М-03/2 от 25.04.2001г. с Институтом астрономии Университета г. Мехико. Разработанные телевизионные камеры на матричных ПЗС с термоэлектрическим охлаждением (включает в себя двухкаскадныи холодильник Пельтье) используется Заказчиком в составе оборудования, предназначенного для анализа искажений волнового фронта, возникающих в сегментированном телескопе.
Апробация работы была проведена на 8 конференциях:
6-я международная конференция «Оптико-электронные устройства распознавания образов, обработка изображений и символической информации», Курск 2003.
3-я международная конференция «Телевидение. Передача и обработка изображений». Санкт-Петербург, 2002.
56-60 Научно-технические конференции НТО РЭС им. А.С. Попова, СПб, 2001— 2005.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 5статей и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы, включающий 164 наименования. Основная часть работы изложена на 115
10 страницах. Общий объем работы 185 стр., включая 56 стр. рисунков и 2 таблицы.
Принцип счета фотонов в астрономическом телевидении
Телевизионная техника предназначена для извлечения информации из электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн и прилегающих к нему областей спектра. Для этого диапазона длин волн характерна необходимость учета квантовой структуры излучения. Известно, что квантовой структурой воспринимаемого излучения можно пренебречь лишь тогда, когда фотонный шум меньше теплового шума приемника [23].
Особенности фильтрации непрерывных сигналов известной и случайной формы, являющихся функцией длины волны, пространственных координат и времени рассмотрены, в частности в работе [38].
При достаточно слабых потоках фотонов, как это часто имеет место в астрономических телевизионных системах, имеется принципиальная возможность выделения сигнала от каждого фотона на фоне собственных шумов телекамеры. Предельные возможности телевизионных систем при наблюдении слабых световых сигналов определяются оптическим контрастом объекта и совокупным числом фотонов от него [31]. При этом потенциальная помехоустойчивость определяется в ходе счета фотонов в каждом элементе разложения. Основным положением концепции счета фотонов, введенной А. Роузом, является необходимость достижения 100% квантового выхода и точной передачи количества накопленных в элементе разложения фотонов (фотоэлектронов) наблюдателю [84]. Эта концепция в астрономии весьма устойчива, и в настоящее время астрономические приборы строятся исходя из максимально эффективного накопления фотонов, обычно считают, что чем больше фотонов, тем больше информации [86]. При этом реализация докоммутационного усиления самым эффективным путем достигается не просто использованием электронно-оптических преобразователей (ЭОП), а непосредственно бомбардировкой ПЗС электронами [87]. Принцип счета фотонов имеет широкое применение [85] и является квантовой интерпретацией теоремы о том, что никакая обработка сигналов не может увеличить количество информации в смеси сигнала с шумом [21]. Принцип счета фотонов в последствии был развит и реализован технически с внедрением ЭВМ в телевизионную астрономию [81], [82], [133]. Малая плотность потока фотонов обуславливает возможность передачи информации из фотоприемника в компьютер с целью построения изображений звездного неба уже не в фотоприемнике, а во внешнем устройстве. Такое построение системы соответствует разнесению фотоэлектрического эффекта и накопления, в традиционных телевизионных системах объединенных в фотоприемнике. Реализация счета фотонов при построении изображения в компьютере требует тем большей пропускной способности канала связи телекамеры с компьютером, чем выше плотность потока фотонов. При наличии внешнего фона плотность потока фотонов возрастает настолько, что передача результатов счета становится возможной лишь при счете фотонов группами [7], [25]. Основным инструментарием группового счета фотонов являются две процедуры: накопление с дискретизацией и квантование. С позиций теории передачи информации групповой счет фотонов относится к кодированию источника [155] и рассматривается с использованием понятия эпсилон-энтропии [83]. При этом оптимизация размеров групп производится в ходе решения вариационной задачи достижения максимума помехоустойчивости при имеющемся ограничении на пропускную способность канала (каналов) связи телекамеры с компьютером.
Помехой называют стороннее возмущение, препятствующее правильному приему полезного сигнала [36, с. 19]. Помехоустойчивость определяется как способность системы передачи противостоять вредному влиянию помех. Предельно достижимая помехоустойчивость, ограниченная шумом, названа В. А. Котельниковым потенциальной помехоустойчивостью. Сравнение фактической помехоустойчивости каждого конкретного устройства с его потенциальной помехоустойчивостью дает оценку качества устройства и показывает наличие еще не использованных резервов. Приложение теории потенциальной помехоустойчивости к анализу телевизионных сигналов и систем начато работами [1], [37]. Воздействие помехи на полезный сигнал проявляется в непредсказуемых искажениях формы сигнала, приводящих к искажению передаваемой информации, т. е. принятый сигнал отличается от переданного. Поэтому помехоустойчивость можно характеризовать как степень соответствия принятого сигнала переданному при заданной помехе. Таким образом, при сравнении нескольких систем та из них будет более помехоустойчивой, в которой при одинаковой помехе различие между принятыми и переданными сигналами будет меньше. [36, с. 7, 47]. В зависимости от воздействия на полезный сигнал различают аддитивные и мультипликативные помехи. Например, аддитивными помехами часто являются: излучения посторонних источников; помехи линейных переходов, обусловленные конечной величиной защищенности между парами кабелей; тепловой шум; проявляющаяся на макроскопическом уровне дискретность электромагнитного или светового излучения при слабых уровнях сигнала. В качестве типичных примеров мультипликативных помех можно назвать фотонный шум, непредсказуемые изменения коэффициентов передачи канала, перерывы и т.д. [14]. При построении приемника стремятся к тому, чтобы он по возможности подавлял помеху, т.е. очищал сигнал от искажений, вызванных помехой. В этом смысле можно говорить о наилучших кодах, о наиболее помехоустойчивых видах модуляции, об оптимальных приемниках. Можно получить оптимальные решения для отдельных звеньев системы передачи, считая остальные заданными. Так пока что делают все; мы будем держаться той же методологической линии. Это позволяет получить если не теоретически наилучшие, то, по меньшей мере, хорошие и работоспособные системы передачи, могущие удовлетворить весьма высоким требованиям по всем основным показателям. [36, с. 11]
Фундаментальным фактором, ограничивающим чувствительность телевизионной системы, является шум [7, с. 93]. Шумы, появляющиеся в светоинформационных системах, могут быть разделены на три категории: шумы светового поля объекта и шумы фона (фотонные шумы); шумы преобразователей (шумы ПЗС); шумы послепреобразовательных устройств (устройств обработки, в том числе усилителей). [36, стр. 52]. В задачу разработчика входит расчет и проектирование звеньев систем, в которых по возможности шум усилителя должен быть уменьшен до уровня меньшего, чем шум преобразователя, а шум преобразователя должен быть уменьшен до уровня, близкого к фотонному шуму. Природа шумов каждой из указанной категории имеет свою специфику. Фотонный шум, иногда называемый радиационным шумом, вызывается флуктуацией числа фотонов относительно среднего значения, вылетающих с данного участка светового поля объекта. По существу этот шум является дробовым. При идеальной нешумящей телекамере ее чувствительность зависит только от фотонного шума. Из-за независимости фотонов в потоке света количество фотонов в элементе разложения в конкретном кадре подчинено статистике Пуассона [31], [7]. В результате достижимое отношение сигнала к фотонному шуму пропорционально корню квадратному из числа фотонов, принятых телекамерой от объекта наблюдения. Здесь, в первом приближении, исключается из рассмотрения зависимость энергии излучения, коэффициентов отражения и квантового выхода от длины волны. При слабых потоках фотонов в оценке потенциальной чувствительности необходимо учитывать не только сигнальные фотоны, но и фоновые. При наличии фона чувствительность телевизионной системы определяется флуктуациями потока фотонов в сигнале и в фоне. Всилу независимости флуктуации числа фотонов на полезном сигнале и на фоне, отношение сигнал/шум Ч определяется из среднего накопленного числа сигнальных фотонов Ns ифоновых фотонов Nfj: [130, с. 10]
Обнаружение сигналов точечных объектов
В простой постановке задачи обнаружения оптического сигнала aS(x - х0) считается известной форма сигнала S(x) и неизвестными амплитуда сигнала а и координата х0. При проверке гипотезы о наличии сигнала минимум риска достигается оптимизацией значения порога и максимизацией отношения сигнал/шум, обеспечивающей максимум правдоподобия при аддитивном гауссовском шуме. Для упрощения синтеза системы обычно выбор порога считают известной в теории решений задачей и пользуются критерием максимума отношения сигнал/шум, т. е. максимизируют функционал, связывающий число сигнальных Л и фоновых Nb фотонов (или фотоэлектронов, что эквивалентно при квантовом выходе, равном 100%):
Число фоновых фотоэлектронов в формуле (2.4) можно трактовать как сумму фотоэлектронов внешнего оптического фона и темнового сигнала фотоприёмника. Однако дисперсии шума внешнего фона и шума считывания по-разному зависят от размера элемента разложения, что обуславливает их раздельное введение в формулу для отношения сигнал/шум. С учётом шума считывания, имеющего дисперсию D формула (2.4) приводится к виду:
Форма полезного сигнала обычно не известна абсолютно точно, известны бывают диапазоны изменения ее основных характеристик. В рассматриваемых системах астрономического назначения можно считать, что априорная неопределенность не функциональная, а параметрическая [18]. В этом случае вариации формы полезного сигнала могут быть сведены к вариации некоторых параметров: амплитуды, радиуса (зависящего от качества фокусировки объектива), эксцентриситета (зависящего от наличия комы объектива) и т. п. Возможны несколько путей решения задачи совместного обнаружения и оценивания в условиях параметрической априорной неопределенности. Один из путей - нахождение оптимальных процедур для среднего значения параметров с последующей оценкой устойчивости показателей качества к отклонению параметров [18]. Второй путь - применение алгоритмов, не являющихся оптимальными для принятой модели типичного сигнала, но обладающих большой устойчивостью к изменению параметров сигнала [127], [75], [92], [95], [96], [127], [134], [142]. При обоих подходах форму полезного сигнала либо варьируют (напр., [96]), либо просто принимают гауссовской с радиусом г и неизвестными амплитудой а и координатой х0. Эту кривую обычно используют как плотность вероятности и нормируют для обеспечения равенства единице полной вероятности с помощьюмножителя . Если использовать такую нормировку при нахождении оптимального радиуса полезного сигнала при заданном размере элемента разложения [8], то изменения радиуса, связанные с изменением амплитуды, будут отражать процедуру смещения фотоприемника относительно фокальной плоскости объектива. В данном анализе предполагается фиксированное значение функции рассеяния точки объективом и варьируется размер элемента разложения при нормировке амплитуды сигнала с помощью множителя
Она тоже полезна, так как при ее обеспечении значение амплитуды а приобретает важный смысл потенциального количества сигнальных фотоэлектронов:
Число сигнальных фотоэлектронов в i-u отсчете определяется проекцией полезного сигнала на апертурную характеристику 1-го элемента разложения (і -ю базисную функцию ф,(х) разложения сигнала в обобщенный ряд Фурье) и вычисляется подстановкой формулы (2.6) в формулу (2.1):
Отношение сигнал/шум вычисляется с учетом шумов фона и шумов считывания, дисперсии которых не зависит от номера отсчета:
При оценке амплитуды сигнала и проверке гипотезы о его наличии обычно рассматривается отсчет, содержащий максимум сигнала, при оценке координаты сигнала - группа отсчетов, содержащая максимальный сигнальный отсчет. При обнаружении сигнала полагается, что решение о его наличии принимается путем сравнения амплитуд сигналов без дополнительной фильтрации. Это означает, что согласование интервала дискретизации с полезным сигналом звезды (по радиотехнической терминологии - с импульсной характеристикой объектива, по оптической - с функцией рассеяния точки, по телевизионной - с «кружком рассеяния» объектива) является исчерпывающей процедурой оптимизации. Поэтому в первом приближении (без учета влияния изменения формы выходного сигнала при изменении координаты х0 сигнала) можно положить х0 = (i +Vi)A и, введя обозначение Ф(х) для табулированного интеграла вероятностипривести формулу (2.8) к виду:
Анализ формулы (2.10) показывает, что максимум помехоустойчивости зависит от интенсивности а сигнала звезды и интенсивности В фона (рис, 2,2, 2.3, 2.4). Отношение а/В, которое может трактоваться как потенциальный контраст звезды относительно фона, определяет не только достижимое отношение сигнал/шум, но и оптимальный размер элемента разложения. Зависимость оптимального размера элемента от потенциального контраста (рис. 2.5) может быть выражена приближенной формулой:
Зависимость нормированного значения отношения сигнал/шум Ч 2 от соотношенияразмеров элемента разложения и функции рассеяния точки объективом А/г при различных значениях контраста объекта относительно фона при постоянном уровнешума считывания
Адаптивный групповой счет фотонов
Понятие счета фотонов был введено А. Роузом [31] для обозначения принципа и средства достижения максимальной чувствительности оптико-электронных систем, и, как он надеялся, максимальной информативности изображений. Адаптация счета фотонов в телевидении традиционно реализуется управлением докоммутационным усилением, которое в электронном телевидении обычно выбиралось на таком уровне, когда заметность шума телекамеры и фотонного шума была примерно одинаковой [1]. И лишь в астрономических системах в режимах наблюдения при слабых фонах усиление до считывания сигнала выбиралось на уровне, обеспечивающем счет отдельных фотонов, то есть на уровне, когда шум телекамеры становился пренебрежимо малым по сравнению с фотонным шумом [2]. Современные телекамеры с такой адаптацией строятся на основе сочетания электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и матричных ПЗС [42]. Такие телекамеры обладают очень широким динамическим диапазоном, охватывающим как очень слабые световые потоки, которые анализируются путем счета (измерения координат) отдельных фотонов, так и очень интенсивные световые потоки, которые анализируются методом группового счета фотонов. К сожалению, такие гибридные приборы в силу нежесткого растра ЭОП не реализуют потенциальной точности измерения координат, и их применение в астрономии ограничено - например, в системах анализа динамических искажений волнового фронта с помощью метода Гартмана. В данной работе делается акцент на другой адаптации, то есть не на автоматическом переходе от счета отдельных фотонов к групповому счету, а на автоматическом управлении характеристиками камеры в рамках группового счета фотонов. Групповой счет фотонов, теоретические основы которого изложены в работах [83], [88], при использовании реальных фотоприемников, в том числе матричных ПЗС преобразуется в счет фотоэлектронов, особенностью которого, в первую очередь, является значение квантового выхода, меньшее 100%. Вместе с тем, термин счет фотонов обычно распространяют и на счет фотоэлектронов. Основными характеристиками группового счета фотонов в ПЗС являются размер пространственной зоны, в которой производится группирование фотоэлектронов и размер группы фотоэлектронов, соответствующей одному уровню квантования амплитуды сигнала в АЦП. Хотя в астрономической телевизионной аппаратуре обычно используют фиксированные значения размера зоны накопления и шага квантования, с помощью которых реализуется традиционный (не адаптивный) групповой счет фотонов, оба эти параметра должны быть адаптивны к уровню сигнала: и интервал дискретизации (раздел 2.6.), и шаг квантования (раздел 3.2.). Зависимость прироста извлекаемой информации от отношения сигнал/шум при обнаружении-оценивании координаты сигнала была исследована Вудвордом [15], который выявил наличие порогового эффекта в этой задаче. В его обозначениях зависимость количества полезной информации I от энергетического отношения сигнал/шум R не монотонна (в данной работе для отношения сигнал/шум обычно используется обозначение Ч1, R=VF ). Само значение порогового отношения сигнал/шум связано со среднеквадратической полосой частот сигнала Р и априорным интервалом X, на котором обнаруживается сигнал [15, с. 109]:
Для фиксированных значений априорного интервала (размера стороны матрицы ПЗС) и среднеквадратической полосы частот (эффективного размера функции рассеяния точки объективом) Вудворд показал, что «пока получена энергия, слишком малая для того, чтобы появился «видимый» сигнал, информация поступает с постоянной скоростью -почти идеально. Но когда R достигает порогового значения, скорость внезапно падает, после чего I увеличивается всего лишь логарифмически» [15, с. 112].
На первом участке прирост информации пропорционален энергетическому отношению сигнал/шум [15, с. 111]:
На втором участке прирост информации пропорционален логарифму отношения априорного и апостериорного интервалов неопределенности, т.е. пропорционален логарифму энергетического отношения сигнал/шум [15, с. 111]:
Изображенная Вудвордом кривая с двумя характерными скоростями прироста информации получена им в предположении об использовании оптимальной процедуры обработки сигнала, которая в непрерывном случае и для операции обнаружения и для операции оценивания координаты использует согласованный фильтр. Рассматриваемая задача совместного обнаружения - оценивания с помощью ПЗС принципиально не может опираться на согласованный фильтр и использует квазиоптимальную фильтрацию (накопление) в элементах разложения. Важным следствием такого перехода от непрерывного фильтра к дискретному является потеря инвариантности отклика к сдвигу входного сигнала.
Для дискретных приемников мера такой неинвариантности может характеризоваться разностью откликов при смещении воздействия [22] (дифференциальная мера неинвариантности). При обнаружении точечных объектов телевизионными системами на твердотельных матрицах используют другую характеристику неинвариантности системы к сдвигу воздействия, называемую пеленгационной характеристикой [75]. Пример пеленгационной характеристики для трех рассмотренных выше вариантов дискретизации показан на рис.3.7. Из этого рисунка видно, что при малом размере зоны накопления и амплитуда отклика и вариация амплитуды малы, а при увеличении размера зоны накопления и амплитуда отклика и вариация амплитуды возрастают. Кроме этих известных фактов из рис.3.7. можно получить еще один интересный результат: неизбежный отход от согласованного фильтра приводит к уменьшению среднего значения отношения сигнал/шум, зависящему от соотношения размеров зоны накопления и функции рассеяния точки объективом. Численное значение возникающего ухудшения отношения сигнал/шум определяется путем усреднения по всевозможным сдвигам (все положения сигнала равновероятны) значений пеленгационной характеристики. Для найденного значения оптимального размера зоны накопления при оценивании координат точечного объекта отношение сигнал/шум будет меньше потенциального значения R пропорционально квадрату среднего значения пеленгационной характеристики.При отсутствии группирования зарядовых пакетов отношение сигнал/шум составит:
Оценка темнового сигнала современных матричных ПЗС
Существует некоторая трудность в сравнении характеристик темнового тока матричных ПЗС различных производителей, поскольку производители, указывая в технической документации параметры ПЗС, используют удобные им единицы измерения и способы измерения. Так, величина среднего темнового сигнала может быть приведена в мВ, количестве электронов на элемент разложения (ячейку) за единицу времени (е /яч.-с), токе на единицу площади (нА/см2) и др., причем измерения могут производиться в различных условиях. Например, при различных температурах и/или временах накопления.
Чтобы производить сравнение величины темнового тока приборов разных производителей, следует привести различные единицы измерения к одной. К. Секен и М. Томпсет в книге «Приборы с переносом заряда» [58], написанной в 1975 году, указали плотность темнового тока при комнатной температуре 5 нА/см как сверхмалую, а средним значением являлась величина в десятки и даже сотни нА/см . А уже через год вышла книга [59], где средним значением темнового тока указана величина 15 нА/см2. Обычно среднее значение темнового тока указывается по рабочим элементам, а дефектные пиксели, темновои сигнал в которых часто во много раз превышает полезный сигнал, из расчета исключаются. Также из расчета исключаются нечувствительные к свету элементы. В данной главе приведены результаты оценки характеристик темнового тока современных приборов различного класса.
Для сравнения выбраны современные матричные ПЗС производства фирм Sony (Япония) ICX415AL, ICX409AL, ICX059AK, Atmel Corp. (США) АТ71201М, ТН7899М и «Электрон-Оптроник» (Россия) ISD017. Сравнение производились без учета влияния дефектных пикселей и при следующих допущениях для кремния: ячейка площадью 1 мкм2 вмещает 1000 электронов; темновои ток убывает в два раза при уменьшении температуры кристалла на 8 С.
Фирма Atmel Corp. Corp. указывает для МПЗС ТН7899М величину темнового сигнала при температуре +25С за время накопления 1 с в режиме с многовыводным фазированием (в англоязычной терминологии Multi Pinned Phase (МРР))Размер ячейки МПЗС:Сигнал насыщения ячейки: Темновои сигнал такой величины достигается при температуре +18,5С. Зависимость темнового тока от температуры в приборе ICX059AK представлена на рис. 4.2.
Темновои сигнал такой величины достигается при температуре +13,5С. Результаты оценочных расчетов сведены в табл. 4.1.
Современная технология изготовления позволила существенно снизить как средний сигнал темнового тока матричного ПЗС, так и количество ячеек с аномально высокой скоростью его генерации. Таким образом, если 30 лет назад при комнатной температуре стандартным считался темновои сигнал в десятки нА/см2, а сверхнизким -в единицы нА/см2, то сейчас этот параметр улучшился на три порядка: для матричных ПЗС среднего класса, к которым относятся исследованные в рамках данной диссертационной работы приборы фирмы «Sony», темновои сигнал составляет десятки пА/см , а у лучших приборов настоящего времени - единицы пА/см .
Одним из способов борьбы с вредным влиянием темнового тока является вычитание запомненной темновои картины из каждого кадра. Данная процедура позволяет устранить постоянную составляющую шума темнового тока. Такая калибровка производится путем перекрытия механическим затвором внешнего светового потока. По значению выходного сигнала можно найти распределение темнового тока по элементам. При этом необходимо обеспечивать высокоточную стабилизацию среднего значения темнового тока для уменьшения ошибки компенсации, поскольку из-за температурных дрейфов с течением времени реальная темновая картина может отличаться от запомненной. При этом всякий раз с изменением темнового тока изменяется уровень шума и уровень черного. Чтобы отслеживать эти изменения, телевизионная камера должна содержать элементы памяти для хранения калибровочных снимков для каждого режима обработки. Причем такие снимки должны быть сделаны, когда телевизионная камера находится в термическом равновесии [73]. Очевидно, что предельное снижение и стабилизация темнового тока очень важна для таких областей науки как астрономия, кристаллография, спектроскопия и т. д. Уменьшение темнового шума приводит к значительному увеличению помехоустойчивости и повышению качества изображения.
Влияние темнового тока можно уменьшить охлаждением и стабилизацией температуры, а также уменьшением времени накопления.Зависимость количества темнового заряда от температуры в МПЗС ICX059AK Астрономические наблюдения предполагают работу при большом времени накопления, когда влияние темнового тока и его шума становится заметным. В этом случае при комнатной температуре в выходном сигнале ПЗС присутствуют как значительный средний сигнал темнового тока, так и аномально высокие значения выходного сигнала «горячих» пикселов. Поэтому для решения таких задач возникает необходимость минимизации и стабилизации темнового тока.
Охлаждение ПЗС решает задачу минимизации темнового тока и обеспечивает эффективное подавление темнового тока и его неоднородностей. При использовании любой системы охлаждения необходимо принимать меры по обеспечению оптической чистоты охлаждаемых фотоприемников и оптических элементов, т. е. защиты от осаждения на холодные поверхности так называемого криоосадка. Эти меры состоят в применении материалов с малой скоростью испарения и периодического нагревания охлаждаемых элементов для удаления накопившихся осадков [7]. Для охлаждения фотоприемников используют различные типы охладительных систем, которые делятся на пассивные и активные.
