автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование системы оптико-электронной обработки сигналов в тепловизорах с матричными приемниками излучения

Кремис Игорь Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ТЕПЛОВИЗОРАХ С МАТРИЧНЫМИ ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

05.11.07- «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ОПТ 2011

Новосибирск - 2011

4857071

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» и Новосибирском филиале Учреждения Российской академии наук института физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения РАН «Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники».

Научный руководитель- кандидат технических наук, профессор

Тымкул Василий Михайлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Малинин Вадим Владимирович;

кандидат технических наук, доцент Нечаев Виктор Георгиевич.

Ведущая организация -

Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится 27 октября 2011 г. в 11.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 26 сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета СЩ^/'—' Симонова Г. В.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 20.09.2011. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,34. Тираж 100 экз. Заказ Э2. ■

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В 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 тепловизионных 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 128 x 128 до 640x 512), 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:

1) выполнить обзор и провести анализ современных систем обработки сигналов для тепловизионных приборов и современных алгоритмов коррекции тепловизионного изображения;

2) 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;

3) 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;

4) 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. A.B. Ржанова СО РАН, Сибирский научно-исследовательский институт оптических систем, Государственный Оптический Институт им. С.И. 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:

1) 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;

2) исследована методика, основанная на применении оптической расфокусирующей системы и позволяющая повысить надежность компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников;

3) 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;

4) 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;

5) 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:

1) 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;

2) методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников по сцене наблюдения, основанная на применении оптической расфокусирующей системы;

3) 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 технических 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:

1) 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;

2) 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;

3) 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;

4) 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;

5) 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;

6) 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»), XIX 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 выдачу 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, методы исследования, новизна, практическая ценность и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе представлены обзор и анализ существующих архитектурных решений, применяемых при построении систем обработки сигналов, а также применяемой элементной базы. Дан обзор существующих систем обработки сигналов широкого применения, предназначенных для решения широкого круга задач, и специализированных систем обработки, предназначенных для применения в ТВП с матричными фотоприемниками. В разделе показано, что существующим отечественным системам обработки сигналов для ТВП свойственна узость функциональных возможностей в плане оптимальных параметров: минимального потребления и габаритов при максимальной производительности и гибкости. Также отмечается отсутствие комплексного, модульного

подхода к реализации системы обработки сигналов в плане ее применения для ряда перспективных приемников в различных тепловизионных приборах. В этом же разделе анализируются современные методы компенсации неодно-родностей параметров и характеристик элементов матричного фотоприемника, выявления дефектных элементов и их замещения.

Анализ этих методов применительно к тепловизионным системам на базе КРТ матриц показал возможность их существенной доработки. Так, применительно к тепловизионным системам на основе приемников КРТ наиболее часто используется двухточечная и, реже, трехточечная калибровки, что требует применения опорных источников излучения для всего рабочего диапазона. Кроме того, для осуществления качественной компенсации темнового тока фотоэлементов требуется установка величины опорного потока излучения пропорционально величине потока внешнего фонового излучения. Все это оказывает существенное влияние на показатели энергопотребления, габаритов и быстродействия системы визуализации ТВП в целом. Существуют методики компенсации темнового тока фотоэлементов, основанные на калибровке ТВП по сигналам сцены наблюдения, однако их существенными недостатком являются сложность и ресурсоемкость вычислительных алгоритмов.

Выводы, сформулированные в данном разделе, подтверждают актуальность диссертации, определяют ее цели и задачи.

Во втором разделе изложены методика и алгоритмы измерений, а также результаты исследования шума и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов КРТ в различных температурных режимах.

Для выяснения поведения ШДЭ и ЧДЭ, были проведены исследования шума и чувствительности фотоэлементов ФПУ при режимах приемника, для которых наблюдалось неустойчивое поведение пикселей и выработка критерия обнаружения элементов с шумом и чувствительностью, превышающими некоторые пороговые значения.

При этом были выполнены следующие действия:

1) выработка критерия обнаружения шумящих дефектных и дефектных по чувствительности элементов;

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

Функциональная схема разработанной экспериментальной установки для измерений шума и чувствительности фотоэлементов ИК-матричных приемников на основе КРТ приведена на рисунке 1.

Для создания равномерного поля засветки ФПУ использовался калиброванный тепловой излучатель в виде модели абсолютно черного тела АЧТ-5И (далее в тексте - АЧТ), суммарная излучаемая энергия Ее которого равна сум-

марной энергии излучения Е реального тела с температурой Тлчт. Объектив имел следующие параметры: относительное отверстие й//= 1/2, заднее фокусное расстояние/= 30 мм.

Рисунок 1 - Функциональная схема экспериментальной установки для измерений шума и чувствительности фотоэлементов ИК-матричных приемников: 1 - калиброванный тепловой излучатель; 2 - блок управления излучателем; 3 - объектив; 4 - исследуемый фотоприемник; 5 - система визуализации ИК-изо-бражения; 6 - ТВП; 7 - система предварительной обработки; 8 - газокриогенная система охлаждения ФПУ; 9 - СОЭОС; 10 - система источника питания; 11 - ТВ-монитор; 12 - персональный компьютер

В экспериментах использовались ТВП, построенные на основе ФПУ производства «Софрадир» 320 х 256, ИФП СО РАН 320 х 256 и ФГУП «НПО «Орион» 384 х 288. При измерениях для всех трех приборов использовался описанный выше объектив, для которого в конструкциях ТВП предусматривались специальные посадочные места.

Рабочий диапазон длин волн исследуемых приемников соответствует дальней инфракрасной области от 8 до 14 мкм и колеблется в пределах от Я/ = 7,7 мкм до 12 = Ю,5 мкм.

Время накопления и напряжение смещения фотоэлементов ФПУ было установлено в соответствии с рекомендациями производителей. Для охлаждения матриц до требуемой температуры использовались газокриогенные системы охлаждения отечественного (для приемников ИФП СО РАН и ФГУП «НПО «Орион») и зарубежного (для приемника «Софрадир») производства.

Измерение температуры поверхности объектов на данной функциональной схеме (согласно рисунку 1) проводились для температур излучателя Т^, при п в диапазоне от 1 до 5, что соответствует значениям Т^ = 283 К, = 293 К, г(3) = зоз к, т(Х- = 313 К, т%. = 323 К. При этом с помощью блока управле-

Л ЧУ

ния 2 (см. рисунок 2) устанавливалась начальная температура Т^ поверхности излучателя 1, равная 283 К с точностью ±0,01 К (точность контролировалась по

показаниям информационной панели блока управления 2). Посредством персонального компьютера (ПК) 12 производилось считывание из памяти ТВП 6 массивов данных в память ПК 12, где т составляли значения в диа-

пазоне от 1 до М, при М = 99, где М - общее количество кадров выборки.

Для выяснения поведения чувствительности и шума элементов при новых циклах охлаждения ФПУ от 293 до 77 К выборка массивов прово-

дились 1 раз в день, при Ф от 1 до 15, где Ф - номер дня наблюдения для ТВП, построенных на основе исследуемых ФПУ.

В результате проведения действий по описанной выше методике в памяти ПК 12 были накоплены по 100 массивов для температур излучателя 1 : 283, 293, 303,313,323 К для каждого из трех ТВП.

По результатам обработки полученных данных были построены зависимости, отображающие поведение сигнала элементов ФПУ и их шума. Также следует отметить нормальный закон распределения для всех исследуемых массивов данных, что означает возможность применения соответствующих формул для расчета моментов случайной величины.

Для исследования шума сигнала элементов ФПУ, с целью исключения влияния дрейфа сигнала фотоэлементов на результаты измерения шума, был проведен расчет разностных кадров: = (У,-- ^.„(^"¿О, где из

каждого последующего кадра выборки вычитается предыдущий кадр. Здесь ; -строка и 7 - столбец массива данных, при значениях г" от 0 до I и] от 0 до У, где /- количество столбцов массива, У - количество строк массива. После чего по серии разностных кадров для каждого пикселя ФПУ рассчитывается ма-

тематическое ожидание (МО) ц.^1 и среднеквадратическое отклонение (СКО) с,'"1. В итоге по результатам обработки данных были построены графики, отображающие поведение сигнала элементов ФПУ и их шума.

Изучение поведения чувствительности элементов ФПУ основано на вычислении приращения сигнала элемента при изменении потока излучения на заданную величину.

Приращения сигналов фотоэлементов в ответ на изменение входного излучения для температурных диапазонов АЧТ вычисляется следующим образом:

Аи^^Т^-и,/^), (1)

где п<1 - номер температурного диапазона от 1 до 4;

эталонный сигнал, считанный с ФПУ и формируемый излучением АЧТ с температурой определяется по формуле:

ии (Т^ ) = - оф |(Х,)то (Щ^ (к Г<£> )с!Х; (2) к К

эталонный сигнал, считанный с ФПУ и формируемый в ответ на излучение АЧТ с температурой Т^, определяется по формуле:

ии {Т{А)=- 1 ^ 0-К (КК ; (3)

71

}Г(п+1)Ск,^АчгУ)' Щ^Т^г) - спектральная светимость АЧТ с температурой Т^ и Т^,. соответственно;

^¡Л^ - спектральная чувствительность элементов приемника излучения;

Аа - площадь входного зрачка объектива;

Х2 - границы спектральной чувствительности приемника излучения; аир- углы поля зрения ТВП по ширине и высоте; хо(к), ха(к) - спектральные коэффициенты пропускания оптической

системы и слоя атмосферы соответственно.

Для полноты исследований были проведены вычисления приращений для диапазонов температур пс1 е [1:4], где пс1 = 1 соответствуют температуры АЧТ: от 283 до 293 К; ш/ = 2 соответствуют температуры от 293 до 303 К; пс1 = 3 соответствуют температуры от 303 до 313 К; пс1= 4 соответствуют температуры от 313 до 323 К.

Так как элементы строк приемника имеют существенный разброс значения чувствительности и постоянной составляющей, изменение чувствительности элементов ФПУ оценивалось относительно некоторых значений, полученных путем применения медианной фильтрации ти'^> = пкфЩМ/^) вдоль каждой строки массива Аи\"р. Это позволило привести значения элементов по строкам к одному уровню, тем самым обеспечивая лучшее визуальное восприятие графика для анализа.

Далее вычислялись вариации чувствительности элементов строк ФПУ отно-

отгельно значений массива =тЦ\^ -Аи}?. Вычисление

производилось для каждого дня наблюдения Ф, для массивов где

т = 0.

По результатам обработки данных также были построены графики, отображающие изменение чувствительности элементов ФПУ.

Анализ массивов данных ии_т(Т^г) с используемых ФПУ позволил выделить следующие группы дефектных элементов:

а) шумящие элементы;

б) элементы с постоянным уровнем сигнала;

в) элементы с чувствительностью, существенно превышающей пределы установленных порогов нелинейности чувствительности фотоэлементов (НЧФ) по всей матрице.

Для обнаружения дефектных по шуму элементов (ДШЭ) (элементов группы а) предлагаются алгоритмы, основанные:

1) на анализе разности сигналов пикселей кадров

2) на анализе СКО шума каждого пикселя ФПУ по выборке кадров от Uufi(T^) до UiJM(T^).

Используя разработанные алгоритмы, для исследуемых приемников были рассчитаны таблицы ДШЭ TD(a[} и TD^ соответственно, рассчитано количество KB®

ДШЭ для каждого из режимов и построены соответствующие графики.

Для обнаружения дефектных по чувствительности элементов (ДЧЭ) (элементов групп б ив) был разработан алгоритм, основанный на использовании коэффициентов НЧФ приемника для диапазонов температур nd, рассчитанных по формуле (1), при этом ~ AU^K С целью повышения эффективности обнаружения ДЧЭ и формирования соответствующей таблицы ДЭ TDS, в работе предлагается анализировать значения разности dm^] = - Д/массива к\J*' и массива, отфильтрованного медианным . фильтром fk\"P = medfilt{k\"P~) . Это связано, прежде всего, с тем, что при равномерной засветке ФПУ распределение откликов сигналов элементов приемника не равномерно по всей площади фоточувствительных элементов. Кроме того, зависимость величины сигнала элементов приемника от температуры засветки нелинейная, и она также распределена неравномерно по площади фотоэлементов. Все это оказывает существенное влияние на эффективность обнаружения ДЧЭ.

Все полученные коэффициенты к\используются в приборе при наблюдении прибором объектов в соответствующих диапазонах температур nd. Полученные таблицы ДШЭ TDf, TD™ и ДЧЭ TDS логически суммируются для получения окончательной таблицы 7!D(I) дефектных элементов приемника.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Экспериментально выяснена необходимость учета нестабильности шумовых свойств и свойств чувствительности элементов КРТ ФПУ в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К.

2. При построении ТВП на основе ФПУ нового типа следует предварительно оценить зависимость ДШЭ и ДЧЭ от температуры фона наблюдения и от циклов заморозки приемника с целью повышения качества их обнаружения.

3. Для получения качественного изображения предлагается при каждом включении и в процессе работы прибора выполнять новый цикл обнаружения ДШЭ и ДЧЭ.

4. Разработанные алгоритмы обнаружения ДЭ просты в реализации и позволяют эффективно обнаруживать дефектные по шуму и чувствительности элементы приемников разного типа.

В третьем разделе изложены разработанные алгоритм работы, принципы построения, функциональная и электрическая схема СОЭОС. Рассмотрены принципы построения системы визуализации изображения для ТВП. Также в разделе рассмотрены оптический метод компенсации постоянной составляющей элементов ФПУ и адаптивный алгоритм коррекции дефектных элементов фотоприемника.

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.

В этом же разделе рассмотрена методика анализа чувствительности ТВП. Методика основана на выражении для пороговой температурной чувствительности тепловизоров при работе по неоднородному объектно-фоновому полю температур:

дг(я) =

1

Д17?

1 + К2{Фф) +—

и2

Ет-; (4)

пор ~ х,

А^О* | 5(А.)т0(Х)ха(Х.){е(Х)Л|Л,Т(х,у),Г] + еф(Х)Аф[X,Тф(х,у),Тф]}<И \

„п ту ^ Р. , Ж[Х,Т(х,у),Т]\.

Аф[К,Тф{х,у),Тф] = \аф^ф ^ + ^-(6)

В[Х,Т(х,у),Т]= Л МГ[к,Т(х,у),Ту1х<1у\ (7)

(*о-Уо)

Вф[х,тф(х,у),т;]= Я АЖ[Х,Тф(х,у),Тф]<1х<1у, (8)

(хф ■Уф)

где Т(х,у) и Тф{х,у) - функции распределения поля температур соответственно по поверхности объекта и фона;

Б' - удельная обнаружительная способность чувствительного элемента с линейными размерами а и Ь\

е(Х), еф(К}т спектральный коэффициент излучения поверхности объекта и фона;

Д/" - ширина полосы электрических частот схемы включения приемника излучения;

где

К3 - коэффициент использования приемником излучения эталонного источника;

К(Фф) - коэффициент, учитывающий увеличение порогового сигнала приемника за счет постоянной составляющей излучения фона;

AU2,

ф - дисперсия сигнала помехи чувствительного элемента ФПУ за счет переменной составляющей излучения фона;

ит - пороговый сигнал чувствительного элемента ФПУ при воздействии эталонного источника;

Cío, (30 - линейный угол, который стягивает объект на расстоянии I от прибора соответственно по строке и по кадру;

Оф, Рф - линейный угол, который стягивает участок фона на расстоянии / от прибора соответственно по строке и по кадру;

Т, Тф - среднее значение температуры по поверхности объекта и фона.

Отношение AU^ / U2m представим в виде:

5 7

"77¿ = К14> W

пэ

Кф = лК/£ьДГ (10)

Гф=]Б(ХХ(Х)га(Х)Еф(Х)Вф[Х,Тф(х,у),ТФ]аХ. (11)

Анализ выражения (4), а также выражений (5)-(11) показывает, что, вследствие засветки ФПУ тепловизора постоянной и переменной составляющими неоднородного поля теплового излучения фона, значение АТ(Н) существенно увеличивается по сравнению со значениями АТпор для однородного поля теплового излучения. Рост значений ДГ(Я) обеспечивается за счет слагаемых К2(Фф) и Кф1ф в формулах (4) и (9), которые больше 1.

Оптическая эквивалентная схема, поясняющая методику компенсации постоянной составляющей элементов ФПУ, показана на рисунке 2. 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.

Рисунок 2 - 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 фоточувствителъные элементы ФПУ всегда будет поступать поток излучения, пропорциональный усредненному потоку сцены наблюдения, и, в конечном итоге, это способствует повышению качества тепловизионного изображения (рисунок 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.

Недостатком алгоритмов обнаружения и компенсации ДЭ, описанных в первом разделе, 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.

Рисунок 3 - Изображения, полученные при компенсации: а) по металлической заслонке; б) по сигналам сцены наблюдения

[ Щ '' .. ;,•' -1. ;

I «

Для устранения вышеуказанных недостатков был разработан алгоритм компенсации дефектных фоточувствительных элементов, адаптивный к шуму фотоприемника. На рисунке 4 представлена схема адаптивного алгоритма компенсации дефектных элементов ФПУ, где:

и?] - скорректированный по чувствительности сигнал элемента г-й строки иу'-го столбца массива данных;

к{ ] - коэффициент коррекции чувствительности фотоэлемента приемника; сигнал, считанный с ФПУ и формируемый в ответ на излучение от сцены наблюдения Ь(Л, 7)®), вычисляется как

' (12)

п \

сигнал компенсации фонового излучения и смещения фотоэлементов, считанный с ФПУ и формируемый в ответ на излучение эталонного источника при температуре Т^ определяется по формуле:

и™ =-Аа «р| (13)

71

с

Начало 1

'Ввод видеопотока, состоящего из

и

Щ

(к)

'.У

ки

щФ = ГОо('> IIII Гос.

Замещение сигнала ДЭ сигналом ближайшего с левого края, от дефектной области, полноценного элемента

дп - значение сдвига текущего элемента от левого края дефектной области

Применение фильтрации:, в маске 3x3 каждый дефектный элемент замещается средним сигналом от элементов, не являющихся дефектными

1к ж

Применение фильтрации к элементам, для которых разность значения сигнала элемента и медианы фильтра больше значения порога, пропорционального СКО

шума изображения (/¡^

Не, ]к - координаты элемента маски фильтра; 1К,ЗК - размер маски фильтра

Дмии = - теёГа^и^);

| еЬе,{тес1Аи{и\0)))

дг/^-Г/Со) _г/(0).

<+'.У '

/ J

I1 Д^у

(О)

Ц(Д) _ <=оу=о

/У

т№) =

= 1

I J

ПНУ-*™)

1=07=0_

/•У

Рисунок 4 - Схема адаптивного алгоритма компенсации ДЭ

На рисунке 5 представлены изображения, показывающие эффективность применения алгоритма.

а) б)

Рисунок 5 - Изображения полученные:

а) без применения алгоритма компенсации ДЭ;

б) с применением алгоритма компенсации ДЭ

На рисунке 6 приведена функциональная схема разработанного СОЭОС ИК-фотоприемника, где 1 - контроллер LVDS; 2 - программируемая логическая интегральная схема; 3 - синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения дефектных элементов; 4 - контроллер USB; 5 - синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции неоднородной чувствительности элементов; 6 - арифметико-логическое устройство; 7 - синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения коэффициентов коррекции темнового фона; 8 - процессор обработки сигналов (ПОС); 9 - синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения промежуточных; ПОС-ПЛИС, данных; 10 - узел замещения дефектных элементов; 11 - контроллер памяти; 12 - телевизионный генератор; 13 - первое синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения данных изображения; 14 - узел регулировки яркости и контраста; 15 - флэш-память; 16 - электрически перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство; 17 - второе синхронное динамическое оперативно запоминающее устройство хранения данных изображения; 18 - узел формирования символов; 19 - узел цифровой фильтрации; 20 - цифроаналого-вый преобразователь.

Разработанная система оптико-электронной обработки сигналов многоэлементных ИК-приемников поддерживает все имеющиеся функции для различных ФПУ без изменения конструкции и без необходимости перепрограммирования работы элементов системы. При этом система имеет габариты 75 х 75 х 8 мм, массу 0,038 кг и потребляет мощность 2,2 Вт. Поддерживаемые форматы фотоприемников, при частоте смены тепловизионных кадров, составляют: 320x256 -200 Гц, 320 х 240 - 50 Гц, 320 х 256 - 50 Гц, 640 х 480 - 50 Гц, 768 х 576 - 50 Гц. Общий объем оперативной памяти типа SDRAM составляет 1 536 Мбит. Из них, в связи с особенностями организации системы, для обработки изображения в реальном времени используется объем памяти, равный 56 массивам двух

байтных слов размером 768 * 576. Объем флэш-памяти, предназначенной для хранения массивов коэффициентов коррекции, таблиц дефектных элементов и прочих констант соответствует девяти массивам двух байтных слов размером 768 х 576.

Рисунок 6 - Функциональная схема системы оптико-электронной обработки сигналов фотоприемника

Система использовалась совместно с охлаждаемыми ИК-приемниками на основе КРТ производства фирмы «Софрадир» 320 х 256, ИФП СО РАН 320 х 256, ФГУП «НПО «Орион» 384 х 288, а также неохлаждаемым микроболометрическим ИК-приемником на основе резистивного аморфного кремния 320 х 240 производства фирмы «ULIS». В целом, для обработки сигналов и для управления работой тепловизора была разработана схема алгоритма обработки сигналов и управления работой прибора, построенного на основе СОЭОС. В данном разделе также приведена функциональная схема системы визуализации для ТВП.

Выводы по третьему разделу.

1. Разработаны способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы; разработана, смонтирована и настроена печатная плата СОЭОС. По заявке № 2009147879 на способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления получено положительное решение от 27.01.2011 на выдачу патента РФ на изобретение.

2. Разработана методика, подготовлены исходные данные и проведены расчетные исследования пороговой чувствительности прибора АТтр. Получен следующий результат: при воздействии неоднородного поля теплового излучения фона ЛТтр уменьшается в 1,18 раза при росте значений дисперсии фона

АТф до 10 К. Средние значения температуры фона Тф при этом составляли значения от 243 до 333 К.

3. Разработана и внедрена в действующие ТВП система, представляющая собой набор функциональных модулей, выполненных отдельными платами; система защищена патентом РФ на полезную модель №98311.

Для обеспечения эффективного функционирования СОЭОС разработаны и реализованы алгоритмы обработки сигналов, которые позволяют:

- снизить аппаратные затраты на реализацию компенсации дефектных фоточувствительных элементов;

- повысить надежность компенсации дефектных элементов независимо от контрастности наблюдаемых сцен;

- добиться независимости качества компенсации дефектных элементов от нестабильности структуры на основе КРТ;

- повысить качество тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе КРТ.

На способ компенсации ДЭ фотоприемника получен патент РФ на изобретение № 2412554.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.

1. Проведен аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по системам обработки сигналов широкого применения, в том числе по системам для ТВП. Рассмотрены современные алгоритмы коррекции тепловизионного изображения. Сформулированы актуальность, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость предложенной научно-исследовательской разработки системы оптико-электронной обработки сигналов матричного ФПУ ИК-диапазона, поддерживающего работу с приемниками разного типа.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования характеристик сигнала чувствительных элементов КРТ фотоприемников, разработаны алгоритмы обнаружения ДЭ и исследовано их поведение в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 до 77 К.

3. Разработан способ обработки тепловизионного изображения, отличающийся простотой реализации и позволяющий эффективно компенсировать остаточный геометрический шум матричных фотоприемников разного типа. На

способ компенсации ДЭ фотоприемника получен патент РФ на изобретение № 2412554.

4. Разработаны способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы, смонтирована и настроена печатная плата системы оптико-электронной обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона, устойчивые к различиям в технических характеристиках применяемых ФПУ. По заявке № 2009147879 на способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления получено положительное решение от 27.01.2011 на выдачу патента РФ на изобретение.

5. Предложена, реализована и внедрена в действующие ТВП система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров; система защищена патентом РФ на полезную модель № 98311.

6. Материалы диссертации внедрены в работу ОАО «ПО «НПЗ» и учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кремис, И.И. Унифицированная система обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе микросхемы программируемой логики типа FPGA [Текст] / И.И. Кремис, Ю.Ф. Однолько // Прикладная физика. - 2007. - № 4. - С. 133-139.

2. Кремис, И.И. Способы и принципы построения алгоритмов ЦОС многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе микросхемы программируемой логики [Текст] / И.И. Кремис, Ю.Ф. Однолько // Прикладная физика. - 2008. - № 3 - С. 101-111.

3. Кремис, И. И. Применение медианной фильтрации в процедуре визуализации тепловизионного изображения, формируемого матричными КРТ фотоприемниками [Текст] / И.И. Кремис, В.Н. Федоринин, В.М. Тымкул И ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 1.: сб. матер. VI Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2010. - С. 71-74.

4. Кремис, И.И. Модульный принцип как основа построения унифицированной системы обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона [Текст] / И.И. Кремис, Ю.Ф. Однолько // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. - 2007. - № 1. - С. 64-76.

5. Кремис, И.И. Обзор отечественных модулей цифровой обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона [Текст] / И.И. Кремис // Прикладная физика. - 2010. -№ 6. - С. 109-119.

6. Кремис, И.И. Повышение качества изображения тепловизоров на основе матричных HgCdTe фотоприемных устройств ИК-диапазона [Текст] / И.И. Кремис//Прикладная физика. -2010. -№ 1.-С. 108-114.

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

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

9. Кремис, И.И. Способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления [Текст] / И.И. Кремис. Положительное решение от 27.01.2011 на выдачу патента РФ по заявке № 2009147879.

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

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

12. Тымкул, В.М. Методика анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения [Текст] / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, И.И. Кремис // ГЕО-Сибирь-2011. - Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 1.: сб. матер. УП Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011.-С. 25-27.

Введение.

1. Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы • по системам обработки сигналов и алгоритмам компенсации геометрического шума фотоприемных устройств ИК-диапазона.

1.1 Обзор систем обработки сигналов для фотоприемников ИК-диапазона.

1.1.1 Системы цифровой обработки сигналов.

1.1.2 Модули систем обработки сигналов широкого применения.

1.1.3 Отечественные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона.

1.1.4 Зарубежные модули систем обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона.

1.1.5 Перспективы построения СОЭС по итогам обзора систем обработки сигналов для фотоприемников

ИК-диапазона.

1.2 Обзор алгоритмов коррекции геометрического шума тепловизионного изображения.

1.2.1 Причины возникновения и алгоритмы коррекции геометрического шума тепловизионного изображения.

1.2.2 Алгоритмы коррекции неравномерности чувствительности и компенсации постоянной* составляющей элементов матричных

КРТ фотоприемников.:.:.

1.2.3 Алгоритмы обнаружения и компенсации дефектных элементов матричных ИК-фотоприемников.

1.3 Выводы к разделу 1.

2 Исследование шума и чувствительности фотоэлементов матричных

ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ в различных температурных режимах.

2.1 Экспериментальная установка для измерений шума и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе КРТ. Условия и методика проведения измерений.

2.2 Исследование шума сигнала и чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.1 Результаты эксперимента по исследованию шума сигнала фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.2 Результаты эксперимента по исследованию чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.3 Разработка алгоритма обнаружения дефектных по шуму элементов матричного ИК-приемника на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.4 Результаты эксперимента по исследованию дефектных по шуму фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.5 Разработка алгоритма обнаружения дефектных по чувствительности элементов матричного ИК-приемника на основе фотодиодов из КРТ.

2.2.6 Результаты эксперимента по исследованию дефектных по чувствительности фотоэлементов матричных ИК-приемников на основе фотодиодов из КРТ.

2.3 Выводы к разделу 2.

3 Разработка и реализация в тепловизионных приборах системы оптико-электронной обработки сигналов матричного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе фотодиодов из КРТ.

3.1 Методика и результаты расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП «смотрящего» типа при работе по однородному и неоднородному полю теплового излучения.

3.1.1 Методические.основы анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа.

3.1.2 Исходные данные для проведения расчетов пороговой температурной чувствительности тепловизора «смотрящего»

3.1.3 Анализ результатов расчетов пороговой температурной чувствительности ТВП при работе по усредненному полю теплового излучения, сцены.

3.1.4 Методика анализа температурной чувствительности ТВП при воздействии помех неоднородного фона.

3.1.5 Оценка влияния неоднородности поля теплового излучения окружающего фона на значение чувствительности ТВП.

3.2 Методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников по сцене наблюдения.

3.3 Адаптивный алгоритм компенсации дефектных элементов матричного КРТ фотоприемника.

3.4 Способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая принципиальная схемы системы оптико-электронной обработки сигналов матричного фотоприемного устройства

ИК- диапазона.

3.5 Перспективная система визуализации инфракрасного изображения для матричных ТВП.

3.6 Выводы к разделу 3.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В настоящее время достигнут немалый прогресс в области разработки систем тепловидения и ТВП на основе МФПУ в частности. Здесь следует отметить наиболее значимый вклад в этой области таких ученых как Мирошни-ков М'. М., Жуков А. Г., Ллойд Д., Тарасов В. В., Якушенк'ов Ю. Г., Алеев Р. М., 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 [19, 30, 42, 45, 51].

Прикладные аспекты построения ТВП подробно рассматриваются в трудах Болтаря К. О., Солякова В. Н., Бурлакова И. Д и Филачева А. М. Особое внимание авторы уделяют вопросам совершенствования методов коррекции неравномерности фоточувствительности, а таюке обнаружения и компенсации дефектных фотоэлементов приемников [7, 8, 38, 39, 40, 41, 43; 44, 45, 54, 55].

В зависимости от способа сканирования поля обзора и используемой элементной базы [4, 6] ТВП принято делить на три поколения. Причем, так как основным функциональным узлом любой ИК-системы является ФПУ, в основу деления 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 96x4 до 576x7 элементов), сканирование в одном направлении - оптико-механическое, в другом — электронное. В приборах третьего поколения применяются матричные ФПУ различного типа, как охлаждаемые (матрицы KPT, InSb, PtSi, QWIP форматом от 128x128 до 640x512), так и неохлаждаемые (пироэлектрические, ферроэлектрические и микроболометрические матрицы форматом от 100x100 до 640x480). Сканирование - двухмерное, электронное.

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 высокопроизводительного модуля обработки сигналов, способного обрабатывать сигнал, получаемый от матричного фотоприемника размером, как минимум, 640x480 элементов.

Также, для повышения экономической эффективности создания ТВП требуется, чтобы модуль сохранял все свои функциональные возможности при построении ТВП в соответствии с концепцией модульных систем, описанной в [4, 6, 28]. Это означает применение, совместно с системой обработки сигналов приемников разного разрешения, различной степени дефектности и НЧФ.

В свою очередь, применение единого модуля обработки сигналов для различных ФЕТУ требует применения алгоритмов и методов, способных учитывать текущие характеристики применяемого приемника и эффективно устранять остаточный ГШ изображения. Здесь, под остаточным ГШ понимается помеха в виде не обнаруженных ДЭ или НЧФ,1 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 К до 77 К картина шумящих элементов также изменяется. Аналогичная ситуация наблюдается для чувствительных и нечувствительных элементов приемника.

Вместе с тем, анализ приведенных выше источников [41, 45, 84, 81, 89] показал существование двух противоположных утверждений о стабильности поведения структуры КРТ.

Так, существует ряд исследований, подтверждающих нестабильность твердых растворов КРТ по отношению к температурным и механическим воздействиям [84, 89], а. также по отношению к качеству структуры полупроводникового материала [81].

Однако, существует публикация [34], где авторы, ссылаясь на работу [81], связывают нестабильность КРТ с нестабильностью поверхности фотодиодов из-за ее плохой подготовки и защиты. Здесь, авторы утверждают, что разработанная технология нанесения защитного покрытия обеспечивает создание высокостабильных и устойчивых к воздействию повышенной температуры фотодиодов.

В работе [45] авторы отмечают, что в ходе эксплуатации ТВП, при неизменных режимах работы фотоприемника на основе фотодиодов из КРТ и микрокриогенной системы состояние дефектных элементов не изменяется, что дает основания говорить о стабильности характеристик фотоэлементов используемого в работе [45] ФПУ.

Предприятие Филиал ИФП СОР АН «КТИПМ» разрабатывает на основе фотоприемников КРТ тепловизионные приборы, при этом номенклатуру применяемых охлаждаемых приемников составляет широкий спектр изделий отличающимися производителем, технологией изготовления, размером и характеристиками [13, 28, 31]. Причем информация, в представляемой производителем документации, о стабильности свойств элементов приемников отсутствует.

В этой связи, с целью эффективного применения алгоритмов обнаружения ДЭ и подавления остаточного ГШ способных работать со всем спектром используемых ФПУ, вопрос создания унифицированной системы обработки сигналов [28] требует изучения стабильности параметров диодов КРТ в используемых фотоприемниках.

В соответствии с изложенным, 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.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ

Целью диссертации является разработка и исследование системы оптико-электронной обработки сигналов (СОЭС) многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона и алгоритмов их анализа, направленных на устранение остаточного геометрического шума в виде дефектных элементов и неравномерности чувствительности фотоприемника, визуально воспринимаемого оператором при наблюдении малоконтрастных объектов.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить обзор и провести анализ современных систем обработки сигналов для тепловизионных приборов и современных- алгоритмов коррекции тепловизионного изображения;

2) разработать, методику и провести экспериментальные исследования г 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 К до 77 К;

3) разработать способ и алгоритм оптико-электронной обработки сигналов, обеспечивающие эффективное функционирование СОЭС и направленные на подавление остаточного геометрического шума в виде ДЭ и НЧФ приемника.

4) 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.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методы исследований основаны на физическом и оптико-электронном представлении 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.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена достоверностью и непротиворечивостью исходных положений теории, и практики оптико-электроники, логическим обоснованием и корректностью использованных математических, приемов; критическим и сопоставительным анализом результатов исследований и сходимостью с экспериментальными данными.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1) 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 К до 77 К;

2) исследована методика, основанная на применении оптической расфокусирующей системы, позволяющая повысить надежность компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников;

3) 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;

4) разработаны и исследованы способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы системы оптико-электронной обработки сигналов, устойчивые к различиям в технических характеристиках применяемых ФЕТУ; 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

1) 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 К до 77 К;

2) методика компенсации постоянной составляющей фоточувствительных элементов матричных КРТ фотоприемников по сцене наблюдения, основанная на применении оптической расфокусирующей системы;

3) способ компенсации дефектных элементов ФПУ, основанный на использовании адаптивного фильтра, 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 технических 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.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1) результаты исследования характеристик сигнала элементов фотоприемников, алгоритм обнаружения дефектных элементов и результаты исследования их поведения в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждения от 293 К до 77 К, могут использоваться в тепловидении и других приложениях оптико-электронной обработки сигналов для устранения геометрического шума изображения;

2) 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 НЧФ приемника;

3) 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;

4) разработанная и изготовленная система оптико-электронной обработки сигналов, поддерживающий работу с матричными ФПУ разного типа, без изменения конструкции системы и необходимости перепрограммирования его элементов может быть применена для построения ТВП в различных предприятиях, НИИ и КБ;

5) 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;

6) материалы диссертации внедрены в ОАО «ПО «НПЗ» и ГОУ 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»), XIX 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 наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009 г.), VI научно-технической конференции «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») и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2010» и «ГЕО-Сибирь-2011» и4 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 Мйнобр-науки 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 «ПЮ-Сибирь-2011». Кроме того, получены патент РФ № 98311 на полезную модель, патент РФ на изобретение № 2412554, а также положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу 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 СОЭС, 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.

3.6 Выводы к разделу 3

На основании результатов, представленных в данном разделе, можно сделать следующие выводы:

- разработаны способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая схемы, разработана, смонтирована и настроена печатная плата СОЭС. По заявке № 2009147879 на способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления получено положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу патента РФ на изобретение;

- разработаны методика, подготовлены исходные данные и проведены расчетные исследования пороговой чувствительности прибора А Тпор. Получено, что при воздействии неоднородного поля теплового излучения фона,

АТпор уменьшается в 1,18 раза при росте значений дисперсии фона АТф до 10 К. Средние значения температуры фона Тф при этом составляли значения от 243 до 333 К;

- разработана и внедрена в действующие ТВП система, представляющая собой набор функциональных модулей, выполненных отдельными платами; система защищена патентом РФ на полезную модель № 98311.

Для обеспечения эффективного функционирования СОЭС разработаны и реализованы алгоритмы обработки сигналов, которые позволяют:

- снизить аппаратные затраты на реализацию компенсации дефектных фоточувствительных элементов;

- повысить надежность компенсации дефектных элементов независимо от контрастности наблюдаемых сцен;

- добиться независимости качества компенсации дефектных элементов от нестабильности структуры на основе КРТ;

- повысить качество тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе КРТ.

На способ компенсации ДЭ фотоприемника получен патент РФ на изобретение № 2412554.

1. Проведен аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по системам обработки сигналов широкого применения, в том числе систем для ТВП. Рассмотрены современные алгоритмы коррекции тепловизи-онного изображения. Сформулированы актуальность, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость предложенной научно-исследовательской разработки системы оптико-электронной обработки сигналов матричного ФПУ ИК-диапазона, поддерживающего работу с приемниками разного типа.

2. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования характеристик сигнала,чувствительных элементов КРТ фотоприемников, разработаны алгоритмы обнаружения ДЭ' и исследовано их поведение в зависимости от времени работы, температуры фона наблюдения и периодического охлаждениям 293 К до 77 К.

3. Разработан, способ обработки тепловизионного изображения, отличающиеся простотой,реализации» и.позволяющий эффективно компенсировать остаточный, геометрический, шум. матричных фотоприемников разного< типа. На способ компенсации ДЭ фотоприемника получен патент РФ на изобретение № 2412554.

4. Разработаны способ, устройство, алгоритм работы, функциональная и электрическая» схемы, смонтирована и настроена1 печатная плата системы оптико-электронной обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона, устойчивые к различиям в технических характеристиках применяемых ФПУ. По заявке № 2009147879 на способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления получено положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу патента РФ на изобретение.

5. Предложена, реализована и внедрена в действующие ТВП система визуализации инфракрасного изображения для матричных тепловизоров; система защищена патентом РФ на полезную модель № 98311.

6. Материалы диссертации внедрены в ОАО «ПО* «НПЗ» и ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия».

7. 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»), XIX 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 наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009 г.), VI научно-технической конференции «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») и Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2010» и «ГЕО-Оибирь-2011» и научно-техническом семинаре кафедры оптико-электронных приборов СГГА.

8. По материалам диссертации опубликованы 12' научных трудов, из них 7 статей опубликованы* в изданиях, определенных в Перечне ВАК Минобр-науки 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, а также положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу 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 СОЭС, 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.

В заключение считаю целесообразным выразить искреннюю благодарность кандидату технических наук, профессору Тымкулу Василию Михайловичу за научное руководство диссертационной работой, умелую постановку актуальной темы диссертации, всестороннюю поддержку и человеческие качества. Также искренне благодарен директору Филиала ИФП СО РАН «КТИ ПМ» -кандидату технических наук Федоринину Виктору Николаевичу - за всестороннюю поддержку и внимание к работе.

1. Бадин, М. Платформенный принцип' проектирования СБИС и ПЛИС Текст. Ч. 2. / М. Бадин, Д. Воронков // Электронные компоненты. 2008. - № 2.

2. Белозеров, А. Ф. Современные зарубежные тепловизионные приборы Текст. / А. Ф. Белозеров, В. М. Иванов // Оптический журнал. 2003. - № Ю. -С. 62-71.

3. Бехтин, Ю. С. Алгоритмы цифровой* обработки ИК-изображений без калибровки по геометрическому шуму Текст. / Ю: С. Бехтин, А. А. Баранцев // Прикладная физика. 2008. - № 1. - С. 110-113.

4. Богомолов, П. А. Приемные устройства ИК-систем Текст. / П. А. Богомолов, В. И. Сидоров, И. Ф. Усольцев; под ред. В. И. Сидорова. М. : Радио и связь, 1987. - 208 с. : ил.

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

6. Болтарь, К. О. Тепловизор на основе «смотрящей» матрицы из CdHgTe формата 128x128 Текст. / К. О. Болтарь, Л. А. Бовина, Л. Д. Саганов, В. И. Стафеев // Прикладная физика. 1999. - № 2. - С. 50-54.

7. Борисов, Ю. Модуль цифровой обработки ИК-изображений с матричных фотоприемных устройств Текст. / Ю. Борисов, А. Грошев // Компоненты и технологии: 2002. - № 2. - С. 29-30.

8. Брондз, Д. С. Коррекция геометрического шума МФПУ с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов передаточных характеристик матрицы« полиномом Т-го порядка Текст. / Д. С. Брондз, Е. Н. Харитонова // Журнал радиоэлектроники. 2008. - № 11.

9. Вирт, И. С. Деградационные явления в фотодиодах на основе СсП^Те Текст. / И. С. Вирт//Физика.- 1998.-№ 11.-Т. 41.-С. 117-120.

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

11. Горбань, А. Н. Функции многих переменных и нейронные сети Текст. / А. Н. Горбань // Соросовский образовательный журнал. 1998. - № 12. — С. 105-112.

12. Гринченко, Л: Я. Современное состояние ишерспективы инфракрасной фотоэлектроники Текст. / Л. Я. Гринченко, В. П. Пономаренко // Прикладная физика. 2009. - № 2. - С. 57-63.

13. Груздев, М. В. Цифровой сигнальный процессор тепловизионного канала на базе процессора Л1879ВМ1 (NN46403) Текст. / М. В. Груздев // Компоненты и технологии. 2000. - № 8.

14. Грушвицкий, Р. И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики Текст. / Р. И. Грушвицкий, А. X. Мурсаев, Е. П. Угрюмов. — СПб. : БХВ-Петербург, 2002. 608 с.

15. Зорин, А. А. Многоканальная система цифровой обработки для теплови-зионных систем наблюдения Текст. / А. А. Зорин, И. И. Разумова // Прикладная физика. 2005. - № 2. - С. 93-96.

16. Инфракрасные объективы тепловизионных приборов и лазерные средства измерения их параметров Текст. / В'. П. Иванов [и др.] // Прикладная физика. 2005. - № 2. - С. 91-93.

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

18. Кремис, И. И: Обзор'отечественных модулей-цифровой обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона Текст. / И. И. Кремис // Прикладная физика. 2010. - № 6. - С. 109-119.

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

20. Кремис, И. И. Способ обработки сигналов фотоприемника и устройство для его осуществления Текст. / И. И. Кремис. Положительное решение от 27.01.2011 г. на выдачу патента РФ по заявке № 2009147879.

21. Кремис, И. И. Способы и принципы построения алгоритмов ЦОС многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе микросхемы программируемой логики Текст. / И. И. Кремис, Ю. Ф. Однолько // Прикладная физика. 2008. - № 3 - С. 101-111.

22. Мирошников, М.М: Теоретические основы оптико-электронных приборов^ Текст. : учеб. пособие для вузов / М. М. Мирошников. Л. : Машиностроение, 1977. - 600 с.

23. Овсюк, В. Н. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона Текст. / В. Н. Овсюк, Г. Л. Курышев, Ю. Г. Сидоров. Новосибирск : Наука, 2001.-376 с.

24. Павлова, В. А. Иконический подход к решению проблемы коррекции неоднородностей чувствительности многоэлементных МФПУ в сканирующих тепловизорах Текст. / В. А. Павлова // Оптический журнал. — 1997. № 2. — Т. 64.

25. Перекрест, А. А. Преимущества использования сопроцессоров на базе ПЛИС FPGA в системах цифровой обработки сигналов Текст. / А. А. Перекрест // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. - № 6. - С. 110-113.

26. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений Текст. / У. Прэтт; пер. с англ. Т. 2. - М. : Мир, 1982. - 480 с.

27. Сахно, И. В. Применение нейропроцессора JI1879BMI для цифровой обработки сигналов РЛС обзора Земной поверхности Текст. / И. В.Сахно,

28. A. В. Харченко' // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2004. -№ 5-6.

29. Солонина, А. И. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов Текст. / А. И. Солонина, Д. А. Улахович; Л. А. Яковлев. СПб.: БХВ-Петербург, 20021 - 464 с.

30. Соляков, В. Н. Блок электронной обработки сигналов матричного фотоприемного устройства Текст. / В. Н. Соляков, М. В. Кортиков // Прикладная физика. 2009г - №'2. - С. 102-104.

31. Соляков, В. Н. Метод коррекции неоднородности многоэлементных фотоприемных устройств по сигналам сцены Текст. / В. Н. Соляков, С. И. Жегалов // Прикладная физика. 2008. - № 1. - С. 60-70.

32. Соляков, В. Н: Перспективная система обработки сигналов многоэлементного фотоприемного устройства ИК-диапазона на основе сигнальных контроллеров серии «мультикор» Текст. / В: Н. Соляков, А. С. Медведев // Прикладная физика. 2005. - № 2. - С. 85-90.

33. Тарасов, В. В. Инфракрасные системы смотрящего типа Текст. /

34. B. В. Тарасов, Ю. Г. Якушенков. М.: Логос, 2004. - 444 с.150

35. Тепловизионная камера на основе неохлаждаемых микроболометрических ФПУ Текст. / А. М. Филачев, В. П. Пономаренко, И. И. Таубкин,

36. B. Д. Бочков // Прикладная физика. 2003. - № 2. - С. 102-106.

37. Тепловизор на основе «смотрящей» матрицы из СсШ^Те формата 128x128 Текст. / К. О. Болтарь, Л. А. Бовина, Л. Д. Сатинов, В. И. Стафеев // Прикладная физика. 1999. - № 2. - С. 50-54.

38. Тепловизор на основе «смотрящей» матрицы из СсЮ,2^0,8Те формата 128x128 Текст. / К. О. Болтарь, Л. А. Бовина, И. С. Гибин, В. М. Малеев // Прикладная физика. 1999. - № 2.

39. Тымкул, О. В. Методика расчета температурной чувствительности космических тепловизионных систем при работе по неоднородному полю теплового излучения Текст. / О. В. Тымкул, В. М. Тымкул // Исследование Земли из космоса. 1997. - № 6. - С. 20-24.

40. Тымкул, В. М. Методика расчета чувствительности пирометра при воздействии помех неоднородного фона Текст. / В. М. Тымкул, Д. С. Шелковой // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. - № 1. — Т. 52. — С. 78-82.

41. Тымкул, В. М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета Текст. : учеб. пособие / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул. Новосибирск : СГГА, 2005. - 215 с.

42. Уиидроу, Б. Адаптивная обработка сигналов Текст. / Б. Уиидроу, С. Стирнз; пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989.

43. Якушенков, Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов Текст. : учеб. для студентов вузов / Ю. Г. Якушенков. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Логос, 1999. - 480 с.

44. Адаптивная медианная фильтрация Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.controlstyle.ru/articles/science/text/amf.

45. Время электроники Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru. - Новостной и аналитический портал «Время электроники».

46. Группа предприятий «Ангстрем» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.angstrem.ru.

47. Инструментальные системы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.insys.ru. - ЗАО Инструментальные системы.

48. Микроконтроллеры и DSP Электронный, ресурс. — Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2192. Новостной' и. аналитический портал «Время электроники».

49. Модуль «МСТ 1500/1300» фирмы «FLIR» Электронныйресурс. Режим доступа: http://www.FLIR.com/uploadedFiles/Eurasia/MMC/Cores/CC0007EN.pdf.

50. Модуль «Mini-Core HRC» фирмы «FLIR» Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.FLn^.com/uploadedFiles/Eurasia/MMC/Cores/CC0012EN.pdf.

51. Музей нейрокомпьютеров Электронный ресурс. — Режим доступа: http://dearshurik.chat.ru.

52. Нейрокомпьютеры.- архитектура и реализация Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.citforum.ru/hardware/neurocomp. Море (!)• аналитической информации.

53. НПК «Технологический центр» МИЭТ Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.asic.ru. Сайт отдела интегральных микросхем (ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ).

54. НПП «Цифровые решения» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.dsol.ru.

55. НТЦ «Модуль» Электронный ресурс. — Режим доступа: www.module.ru.

56. Однокристальная реализация алгоритма БПФ на ПЛИС фирмы Xilinx Электронный ресурс. Режим доступа: http://wvm.compitech.ni/htmr.cgi/arhiv/0004/stat52.htm. - Статьи по электронным компонентам.

57. Пример: нормальное (Гауссово) распределение MathCAD 12 руководство Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.radiomaster.ru/cad/mcl2/glava12/index04.php.

58. Сайт ЗАО «Гранит-ВТ» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.granit-vt.ru/dspboards.shtml.

59. Сайт фирмы «А1М» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.aim-ir.com.

60. Сайт фирмы «Altera» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.altera.com.

61. Сайт фирмы «Analog-Devices» Электронныйгресурс. — Режим доступа: http://www.analog.com.

62. Сайт фирмы «DRS Technologies» Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.drs.com.

63. Сайт фирмы «FLIR» Электронный, ресурс. Режим доступа: http://www.FLIR.com.

64. Цифровая обработка изображений Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.sibsauktf.ru/courses/fulleren/g3 .htm.

65. Цифровая фильтрация Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ccas.ru/DCM/Chichag/2FILTER/H2VC.htm.

66. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. Занятие 7. Реализация вычислительных устройств на ПЛИС Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.kit-e.ru/articles/circuit/20010174.php. -Компоненты и технологии.

67. Электронные информационно-вычислительные'системы Электронный ресурс. Режим доступа: http://multicore.ru. - НПЦ «Элвис». - Отечественные DSP процессоры Мультикор.

68. Bariot F., Krozievitz V., Schroter W. //Appi: Phys. Lett. 1990. - V. 57. -P. 2989:-2991.

69. Cheung Lizzie. Computer simulation of spatial nonuniformity correction in a staring sensor Text. / Cheung Lizzie, Dereniak Eustase L., Perry David L. // Proc. of SP1E. 1988. - V. 972.

70. European- Patent. P2005-175547A, МПК H04N5/335, H04N9/07, H04N5/335. FLAW CORRECTION CIRCUIT Text. / Hirai Yuichi; Canon KK. -№ JP2005175547 (A); priority date 12.05.03; publication 06.30:05.

71. Perry David L. Linear theory of non-uniformity correction in infrared5 staring sensors Text. / Peny David L., Dereniak Eustase L. // Optical engineering. 1993. -V. 32. - № 8. - P. 1854-1859:

72. Radiff Bradley M. Algorithm for radiometrically-accurate nonuniformity correction with arbitrary scene motion Text. / Radiff Bradley M., Hayat Majeed M., Tyo J. Scott. // Proc. of SPIE. 2003. - V. 5076.

73. Shen S. C. // Semicoind Sci. arid Technol. 1993. - V. 8. - P. 443-446.

74. Torres Sergio N. Adaptive Scene-Based Non-Unifonnity Correction Method for Infrared-Focal Plane Arrays Text. / Sergio N., Vera Esteban M., Reeves Rodrigo A., Sobarzo Sergio K. // Ibid.

75. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР НА ОСНОВЕ ФПУ ФОРМАТОМ 384x288 ЭЛЕМЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВА ФГУП «НПО» ОРИОН», РОССИЯ

76. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР НА ОСНОВЕ ФПУ ФОРМАТОМ 320x256 ЭЛЕМЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВА ИФП СО РАН, РОССИЯ

77. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ ПРИБОР НА ОСНОВЕ ФПУ ФОРМАТОМ 320x256 ЭЛЕМЕНТОВ ПРОИЗВОДСТВА «СОФРАДИР», ФРАНЦИЯ

78. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ МОДУЛЬ «PYTHON» НА ОСНОВЕ КРТ, ПРОИЗВОДСТВА КОМПАНИИ «А1М», ГЕРМАНИЯ

79. Технические характеристики:1. формат ФПУ: 1024x256 элементов;2. спектральный диапазон: от 0,9 до 2,5 мкм;3. рабочая температура ФПУ 150 К;4. мощность потребления холодильника: 30 Вт;5. максимальная частота кадров ФПУ: 250 Гц.

80. ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ МОДУЛЬ «VIPER» НА ОСНОВЕ КРТ, ПРОИЗВОДСТВА КОМПАНИИ «АЮ», ГЕРМАНИЯда

81. ПРОГРАММА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВП

82. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И РАСЧЕТ ПОРОГОВОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВП ПРИ РАБОТЕ ПО УСРЕДНЕННОМУ ПОЛЮ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СЦЕНЫ

83. Тф := 293 -температура фона, К

84. Тоб := 243. 333 -температура объекта, К5кадра := 320-256 -общая площадь изображения, пикселей

85. Боб := 100-100 -площадь объекта, пикселей

86. Бф := 5кадра — Боб -площадь фона, пикселей1. Бф = 7.192 х Ю4

87. Средняя температура сцены наблюдения составляет, К:

88. Тф-Бф + Тоб-Б об Тсртоб •= --1. Ькадра1. Тсртоб =286896 287.019 287.141 287.263 287.385а := 25-10 4-линейные размеры элемента фотоприеыникахм1. Ь := 25-Ю-4

89. Кэ := 0.16 -коэффициент использования приемником излученияэталонного источника:= 30 -заднее фокусное расстояние объективаприбора, ммт := 700-10"^ -время накопления ИК-сигнала фотоприемником, сек

90. АГ := —Д£ = 714.286 -ширина полосы электрических частотсхемы включения приемника излучения, Гц

91. С2 := 1.418-10-вторая постоянная планка, мкм х К

92. АО := 1.91 -площадь входного зрачка объектива тепловизора, см2И

93. Б := 6-10 -удельная обнаружительная способность чувствительного элемента, (см х Гц035)/Вт

94. XI := 7.7 -нижняя граница спектральной чувствительности, мкм

95. Х2 := 9.6 -верхняя граница спектральной чувствительности, мкм4

96. С1 := 3.74-10 -первая постоянная планка, (мкм4 х Вт)/см2тО := 0.7 -спектральный коэффициент пропускания оптической системы

97. Бср := 0.9 -среднее значение относительной спектральной чувствительности в диапазоне от 7,7 до 9,6 мкма := а = 8.333 х Ю-5 £-мгновенные углы поля зрения ТВП3 = 8.333 х 10" 5

98. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВП ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕОДНОРОДНОГО ПОЛЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

99. Пороговая температурная чувствительность ТВП при воздействии неоднородного поля теплового излучения составляет, К:

100. ДТф := 0. 20 -дисперсия изменения температуры фона, К

101. ТфО := 243 Тф2 := 333 -границы диапазона темпер фона, К

102. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СОЭС3 1vlvds1. CI1. C8Igndlvds 0 1Mgnd lvds0 1m1. R1N-dJ5 ik1. R2gnd„lvds1. R38 2K3 3v lvds1. RIN+ /1. XP11. Up ribdgnddgnd12V1. RIN+1. RIN1. DO1.>sdasdl53047 09101.dgnd1. CI3 3vd0 1mc2- dgnd1.