автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств

На правах рукописи

Л АТЫПОВ ЯРОСЛАВ МАРАТОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ШУМА ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань

2006

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете

им. А.Н.Туполева

Научный руководитель доктор технических наук профессор

Иванов Владимир Петрович, научный консультант доктор технических наук профессор Ильин Герман Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Ведущая организация "Оптоойл", г. Казань.

Защита состоится «4» июля 2006 в 14°° часов на заседании диссертационного Совета Д212.079.04 Казанского Государственного Технического Университета им, А.Н.Туполева по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, д.31.

Ваши отзывы, заверенные печатью, просим выслать по адресу 420111, Казань, ул. Карла Маркса, д. 10 на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке КГТУ им. А.Н.Туполева

Морозов Олег Геннадьевич, кандидат технических наук Николаев Рюрик Петрович.

Автореферат разослан «_»

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В. А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время в мире проводятся исследования по совершенствованию методов и средств неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, а также разработка устройств для создания систем наблюдения и контроля указанных объектов. Одно из важнейших направлений этих исследований — разработка систем, воспринимающих сигналы в инфракрасной области спектра. Так, например, при мониторинге земной поверхности, тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, что позволяет решить целый ряд задач по обнаружению природных ресурсов, контролю за состоянием различных инженерных сооружений, исследованию состояния земной поверхности, водной среды, атмосферы и т. д. Одним из наиболее эффективных технических средств для решения задач, связанных с наблюдением объектов в инфракрасной области спектра, являются тепловизионные системы.

Существенный рост возможностей тепловизионных систем обусловлен переходом от систем первого поколения (с инфракрасными фотоприемниками, имеющими незначительное число чувствительных элементов и сканированием фотоприемником наблюдаемой картины в двух направлениях) к тепловизионным системам второго поколения (с матричными фотоприемниками в виде линейных матриц элементов и сканированием линейкой элементов только в одном направлении; при этом каждый элемент линейки формирует одну строку телевизионного кадра). Достоинством тепловизионных систем второго поколения является отработанность технологии, возможность разрешения объектов с высокими пространственными частотами и сравнительно невысокая стоимость конечного изделия.

Основные погрешности наблюдения исследуемых объектов с помощью тепловизионных систем на основе матричных фотоприемных устройств сегодня связаны с появлением неоднородности уровня сигналов на выходе каналов тепловизионной системы при равномерной облученности матрицы фотоприемника. Под каналом будем понимать участок приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов. Поскольку в тепловизионных системах второго поколения производится сканирование наблюдаемой картины линейкой элементов, неоднородность каналов приводит к появлению в устройстве отдельных строк с яркостью существенно выше или ниже яркости основного изображения или строк, отсутствующих в наблюдаемой тепловой картине. В ряде работ это явление получило название «геометрического шума».

Основными причинами возникновения неоднородности уровня сигналов в каналах являются различие параметров элементов матрицы относительно друг друга. Именно поэтому в ряде литературных источников принято говорить о геометрическом шуме фотоприемных устройств. Причем в обозримом будущем не представляется возможным создать матричный фотоприемник, в котором неоднородность параметров элементов будет устранена полностью. Развитие технологий изготовления фотоприемников позволит в дальнейшем лишь снизить разброс параметров элементов и, следовательно, сигналов в каналах. Создание аналоговых усилителей с абсолютно идентичными характеристиками в обозримом будущем также не представляется возможным.

В последнее время для оптимизации расчета и проектирования тепловизионных систем используется множество математических моделей, которые дают возможность с требуемой точностью определить ряд характеристик этих систем. Общей особенностью существующих моделей является то, что все они предлагают на этапе разработки задавать допустимый разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы. Допустимый разброс определяется исходя из величины эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы, при которой система в состоянии выполнить поставленные задачи. При этом считается, что допустимый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов матрицы фотоприемника.

Однако, как показывают появившиеся в последнее время публикации, для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, появляющийся из-за влияния геометрического шума фотоприемных устройств разброс сигналов в каналах может оказать существенное влияние на разброс сигналов на характеристики тепловизионных систем. Следовательно, использование методик, не учитывающих геометрический шум фотоприемных устройств, может привести к существенным расхождениям между расчетными и практическими характеристиками систем. Поэтому, с учетом вышесказанного, задача повышения достоверности расчета при проектировании тепловизионной системы остается на сегодняшний день актуальной.

Цель работы.

Целью настоящей работы является повышение достоверности расчетов при проектировании тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств.

Основные задачи диссертационной работы

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на разброс сигналов на выходе каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.

2. Разработка математической модели канала приемно-регистрирующего тракта тегшовизионной системы, позволяющей на этапе проектирования учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемника с учетом параметров канала приемно-регистрирующего тракта тегшовизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

3. Исследование с помощью разработанной модели влияния геометрического шума матричного фотоприемника на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы и оценка допустимых значений параметров матричных фотоприемных устройств, выполнение которых позволит реализовать требуемые характеристики тепловизионной системы

4. Разработка критериев оценки для проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения.

Научная новизна работы заключается в том, что:

— разработана математическая модель канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая учесть влияние разброса параметров элементов матрицы фотоприемного устройства на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы при различных алгоритмах калибровки каналов;

— предложен метод, позволяющий на этапе конструирования оценить уровень геометрического шума в тепловизионной системе;

— выявлено, что выравнивание разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Определено минимальное отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионной системы, необходимое для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов;

— выявлено, что в тепловизионных системах с матричным фотоприемным устройством, работающих при низких отношениях сигнал/шум, разброс обнаружительной способности в элементах матрицы влияет на достижение минимального разброса на выходе каналов сильнее, чем разброс чувствительности этих элементов;

— показано, что величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента матричного фотоприемного устройства, по которой канал признается неработоспособным в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно;

— сформулированы требования к качеству изготовления поверхностей оптических систем, необходимые для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

— определен диапазон допустимых значений исходного разброса параметров матричного фотоприемного устройства, при которых тепловизионная система обеспечивает требуемые характеристики и разработана методика проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения, что в свою очередь позволит избежать излишних затрат на экспериментальную проверку пригодности конкретного фотоприемника для проектируемой тепловизионной системы;

— определено, что для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов на выходе каналов по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионной системы не менее величины 5-7;

— определены требования к разбросу параметров элементов матричных фотоприемных устройств; показано, что при разбросе чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-17% и разбросе обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-20% остаточный после выравнивания разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы превышает допустимую величину;

— показано, что если величина минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента дефектного канала более чем на 15-20% превышает величину разброса элемента канала с наименьшей обнаружительной способностью, то на экране устройства отображения появляются строки с переменной по кадру яркостью; указанные каналы должны считаться неработоспособными;

— показано, что использование элементов оптических систем, имеющих шероховатость поверхностей хуже II класса чистоты, приводит к появлению дополнительной оптической помехи, вызывающей ошибки при калибровке каналов по сигналам от двух эталонов.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель канала тепловизионной системы, позволяющая оценить влияние параметров тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

2. Разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы зависит не только от параметров фотоприемного устройства, но и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Для тепловизионных систем, работающих с низкими отношениями

3. сигнал/шум, величина разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы определяется в первую очередь разбросом обнаружительной способности элементов матричного фотоприемника, а не разбросом их чувствительности.

4. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов выбирается исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника. Несоблюдение этого требования приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.

5. В тепловизионных системах следует использовать элементы оптических систем с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже И. В противном случае появляется дополнительная оптическая помеха внутри объектива, которая может повлиять на калибровку каналов.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «XVIII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения», Москва, 2004г.; VI Международная конференция «Прикладная

оптика — 2004», Санкт-Петербург, 2004г.; Международный оптический форум «Оптика - 2005», Москва, 2005г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования, и 3 приложений. Диссертация содержит 173 листа, 8 таблиц и 37 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности выбранной темы исследований и сформулированы цель, задачи диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализирован предмет исследований тепловизионная система второго поколения. Описаны основные составляющие процесса получения теплового изображения, структура и ряд существующих классификаций тепловизионных систем.

Структура исследуемой тепловизионной системы представлена на рисунке 1.

Под каналом понимается участок тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного

элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов.

Задачей фотоприемного устройства (приемника излучения, фотоприемника) является преобразование распределения интенсивности излучения от объектов в распределение напряжения.

Рисунок 1. Структура тепловизионной системы

Задачей этапа обработки сигнала является повышение отношения сигнал/шум для полезного сигнала и формирование телевизионного кадра на выходе системы для подачи на выходное видеоустройство.

Поскольку сегодня для создания фотоприемников тепловизионных систем существует множество различных материалов, то далее дан краткий обзор применяемых сегодня материалов перспективных для создания фотоприемников ИК области спектра (Н§Сс1Те, ГпБЬ, Ь^МпТе, Н^пТе, и т.д.). Указано на наличие проблемы появления неоднородности параметров элементов матриц в современных фотоприемниках. Это приводит к различиям в характеристиках каналов, и, в свою очередь, приводит к тому, что при условии равномерной облученности матрицы фотоприемника уровни сигналов в каналах различаются. Вследствие этого при сканировании с помощью матричного фотоприемника наблюдаемой картины на устройстве отображения появляются отдельные строки с яркостью выше или ниже яркости основного изображения, отсутствующие в наблюдаемой тепловизионной картине. Это приводит к существенному снижению такого параметра тепловизионных систем как эквивалентная шуму разность температур и, следовательно, максимальной дальности тепловизионных систем.

Далее описан широко применяемый метод решения этой проблемы в современных тепловизионных приборах — калибровка каналов. В многочисленных тепловизионных системах в настоящее время, как правило, задачей калибровки каналов является регулировка коэффициента усиления в каналах таким образом, чтобы при условии равномерной засветки матрицы фотоприемника уровни сигналов на выходе всех каналов были равны. Вычисление величины регулировки проводится на основе сигналов с нескольких эталонных источников, в заданный момент времени равномерно засвечивающих матрицу фотоприемника.

Из дальнейшего обзора применяемых в настоящее время моделей, описывающих тепловизионные системы, видно, что все эти модели предлагают

задавать на этапе разработки допустимый разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы исходя из требуемого значения эквивалентной шуму разности температур. При этом считается, что требуемый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов фотоприемника.

Однако проводившиеся в последние годы работы по исследованию тепловизионных систем позволяют усомниться в этом. Они показывают, что разброс сигналов в каналах тепловизионной системы может существенно изменяться при изменении отношения сигнал/шум в системе. В результате, хотя мы имеем возможность оценить влияние разброса сигналов в каналах тепловизионной системы на эквивалентную шуму разность температур, остается открытым вопрос, позволят ли значения таких параметров фотоприемных устройств как разброс чувствительности и разброс обнаружительной способности элементов фотоприемника получить требуемые от тепловизионной системы характеристики.

Следовательно, необходимо оценить, какие факторы оказывают влияние на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения, и разработать модель канала тепловизионной системы, позволяющую учесть влияние этих факторов на калибровку каналов тепловизионной системы. В завершение первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена анализу факторов, влияющих на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником и разработку модели канала, которая позволит учесть влияния этих факторов на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.

Анализ показывает, что причинами появления ошибок калибровки каналов тепловизионной системы в тепловизионной системе являются:

— неоднородность параметров элементов матричного фотоприемного

устройства;

— различия в параметрах аналоговых частей каналов;

— появление неравномерности засветки матричного фотоприемника

эталонным сигналом.

Появление неравномерности засветки связано со следующими причинами. Поток Wnp, достигнувший чувствительного элемента фотоприемного устройства, равен

W =W-W -W , пр отр пог

где W поток, попадающий на входной зрачок объектива тепловизионной системы, WOTp часть, отраженная от поверхностей линз и зеркал и Wnor часть, поглощенная материалом линз, зеркал и специально предназначенными для этого устройствами.

Излучение lVOTV, отраженное и рассеявшееся в объективе, может создать дополнительную помеховую засветку, появление которой не только снизит контраст воспринимаемого изображения и, в ряде случаев, станет причиной

появления ложных сигналов на выходе тепловизионной системы. Поскольку распределение помеховой засветки в плоскости чувствительных элементов фотоприемника носит случайный характер, то она может привести к появлению неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом. Следовательно, качество изготовления поверхностей оптических систем должно быть таково, чтобы влияние Нготр было незначительным.

Для ранее разработанных моделей сигнал в 1-м канапе считался равным

<7, = ^^ФКД^^,

где 3(Л) нормированная спектральная характеристика фотоприемника, Зу, чувствительность 1-го элемента матрицы фотоприемника по напряжению в максимуме спектральной характеристики, 1У(Я) поток, падающий на входной зрачок тепловизионной системы; ^/^коэффициент пропускания оптической системы.

Тогда, с учетом вычитания постоянной составляющей С/,пост и поправочного коэффициента усиления К,, сигнал в ¡-м канале для этих моделей считался равным

= посгк-

В современных тепловизионных системах поправочный коэффициент усиления К, определяется на основе сигналов с эталонных источников. Причем, поскольку проводится усреднение по нескольким измерениям, величина этих сигналов и, следовательно, ЛГ, определяются чувствительностью элемента /-го канала.

Однако для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, существенным фактором, влияющим на калибровку каналов тепловизионной системы, является шум в канале.

В разработанной модели сигнал в ¡-м канале на входе описывается с учетом шума ¡-го чувствительного элемента фотоприемника ишфШ и считается равным

и, = ^8и8(ху{л)г{Х)%ал+ишФЩ.

где ишФШ собственные шумы ¡-го элемента и х ~ Доля энергии, попадающей на фотоприемник с учетом неидеальности оптической системы.

Тем самым учитывается не только разброс чувствительности элементов матрицы фотоприемника, но и разброс их обнаружительной способности (которая определяется собственными шумами элементов фотоприемника).

Далее, представляя аналоговую часть канала как совокупный набор активных и пассивных четырехполюсников, и собственные шумы канала как сигнал источника ЭДС в составе четырехполюсника, сигнал на входе устройства обработки сигнала равен

U\ = X(Ut + С/ШФПг, С/шсис),

где £/шсис собственные шумы канала и X передаточная функция канала.

Это позволит учесть влияние различий в параметрах аналоговых частей каналов на калибровку каналов.

Тогда сигнал в канале после коррекции равен

Зная характер преобразования сигналов в канале на каждом из этапов, мы можем достаточно точно оценить разброс сигналов в каналах С(%) на выходе. Отсюда мы сможем ответить на вопрос, позволят ли разброс чувствительности и обнаружительной способности фотоприемника получить допустимое значение разброса сигналов в каналах тепловизионной системы.

Исследуемые тепловизионные системы сравнивались по следующим параметрам: разброс сигналов в каналах; эквивалентная шуму разность температур; дальность действия тепловизионной системы.

Для определения эквивалентной шуму разности температур используется предложенная Якушенковым Ю.Г. и др. трехмерная модель шума. Такой подход охватывает большинство источников шума в тепловизионной системе и позволяет легко оценить вклад в эквивалентную шуму разность температур за счет случайного временного шума системы и вклад в эквивалентную шуму разность температур за счет пространственного шума (разброса сигналов в каналах).

Поскольку число элементов в современных фотоприемниках может превышать несколько сотен, появляются существенные трудности для вычисления разброса сигналов в каналах с помощью существующих математических пакетов. В случае рассмотрения нескольких фотоприемных устройств проблема значительно усугубляется. В связи с этим модель была реализована с помощью программы, созданной в объектно-ориентированной среде Borland Delphi 7.0.

Таким образом, во второй главе определены факторы, влияющие на калибровку каналов тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения, и разработана математическая модель канала тепловизионной системы, учитывающая влияние этих факторов.

В третьей главе проведены эксперименты и сравнение расчетов с экспериментальными данными.

Была проведена серия экспериментов, призванных сравнить эквивалентную шуму разность температур, вычисляемую теоретически, согласно ранее применяемым моделям, предлагаемой модели, и экспериментальное значение эквивалентной шуму разности температур.

Схема проведения эксперимента показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема проведения эксперимента. 1 - тест-объект, 2 - коллиматор, 3 — тепловизионная система с исследуемым фотоприемником, 4 - визир, 5 - котировочный стол, б — вольтметр

На основании полученной в эксперименте температурно-частотной характеристики определялась величина эквивалентной шуму разности температур.

Эксперимент показывает, что расчетные результаты, полученные с помощью предложенной во второй главе модели, достаточно близки к измеренным. При этом эквивалентная шуму разность температур тепловизионной системы, рассчитанная с применением разработанной модели, ближе к экспериментальной, чем с применением моделей, применяемых ранее. Следовательно, предложенная модель может быть использована для дальнейшего исследования влияния параметров тепловизионной системы на выравнивание неоднородности сигналов в каналах.

Если рассмотреть на основе существующих на сегодня работ изменение температурно-частотной характеристики системы при изменении эквивалентной шуму разности температур то видно, что для получения приемлемых характеристик исследуемой тепловизионной системы величина эквивалентной шуму разности температур не должна превышать 150 - 175 мК. Рассмотрим зависимость эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы от величины разброса сигналов в каналах на выходе (рисунок 3). Как видно из рисунка, эта величина достигается при значении разброса сигналов в каналах менее 1,5-2%. Полученное значение полностью согласуется с результатами экспериментальных работ ГОИ, опубликованными ранее A.B. Вафиади.

Рисунок 3. Разность температур эквивалентная шуму при изменении остаточного после коррекции разброса сигналов %, при средней обнаружительной способности от 5 (кривая 1) до 9x10'° см*Гц"2/Вт (кривая 3), соответственно.

Таким образом, результатами третьей главы стали экспериментальная проверка адекватности разработанной во второй главе модели тепловизионного канала практике и выбор допустимой величины разброса сигналов в каналах на выходе, по которой в дальнейшем будет оцениваться тепловизионная система. Результаты проведенных экспериментов показали, что рассчитанная с применением разработанной модели эквивалентная шуму разность температур тепловизионной системы ближе к экспериментальному значению более чем в 1,5 раза, чем аналогичный расчет с использованием ранее применяемой модели.

В четвертой главе проведена оценка допустимых шероховатостей поверхностей оптической системы, а также оценка влияния параметров элементов тепловизионной системы на результаты калибровки каналов.

Результаты исследований пропускания поверхностей элементов оптических систем от величины шероховатости подложек элементов показали, что в тепловизионных системах следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими класс чистоты не хуже II. В этом случае отражение от поверхностей оптической системы не приводит к появлению паразитного оптического сигнала и позволяет избежать ошибок калибровки каналов, связанных с неравномерностью засветки матрицы

Далее в четвертой главе представлены результаты, которые позволили оценить, при каком наименьшем отношении сигнал/шум и при каких исходных значениях разброса элементов выравниваемой матрицы обеспечивается приемлемый разброс сигналов в каналах фотоприемного устройства. При этом рассматривались результаты калибровки каналов для различных средних

величин и разбросов чувствительности и обнаружительной способности элементов исследуемой матрицы при изменении отношения сигнал/шум в тепловизионной системе.

— "О <в 5

о 5 о

о. =>= ю

то

<я

4.54.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

■ кривая 1 кривая 2

О 5 10 15 20 25 30 35

Отношение сигнал/шум

Рисунок 4. Разброс сигналов в каналах тепловизионной системы при изменении отношения сигнал/шум. Разброс чувствительности элементов матрицы фотоприемника для кривой 1 в полтора раза меньше, чем для кривой 2

Проведенные исследования показывают, что при величине отношения сигнал/шум меньше 5-7 наблюдается существенное увеличение неоднородности сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы. Следовательно, в тепловизионной системе, работающей с низкими отношениями сигнал/шум, всегда будет присутствовать остаточный разброс сигналов в каналах, причем он будет зависеть от величины разброса параметров элементов матрицы (рисунок 4).

Не менее важным фактором, влияющим на величину неоднородности сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы, является разброс значений отношений сигнал/шум в элементах матрицы (разброс обнаружительной способности). На рисунке 5 дан пример выравнивания для случаев, когда имеет место разброс обнаружительной способности (рисунок 5 кривая 2) и когда им можно пренебречь (рисунок 5 кривая 1). Обнаружительная способность для кривой 1 меньше.

Как видно из рисунка, разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы увеличивается не только с увеличением разброса чувствительности элементов матрицы фотоприемного устройства относительно среднего по матрице значения, но и с увеличением разброса обнаружительной способности. При этом фотоприемник с высокой средней по матрице обнаружительной способностью, но большим разбросом обнаружительной способности (рисунок 5 кривая 2) может проиграть по величине разброса

сигналов на выходе каналов матрице с меньшей средней обнаружительной способностью, но с меньшим разбросом (рисунок 5 кривая 1). То есть в тепловизионных системах на достижение минимального остаточного разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы большее влияние оказывает разброс обнаружительной способности матрицы фотоприемника, а не разброс чувствительностей элементов матрицы.

Исходный разброс чувствительности, %

Рисунок 5. Результат выравнивания для случаев наличия и отсутствия разброса обнаружительной способности. Кривая 1- 0*ср = бх10'°см Вт"1 Гц"2 разброс «1 %, Кривая 2- 0*ср = 9х10,осм Вт "Гц"2 разброс более 4%

Допустимый разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы соблюдается при максимальном разбросе чувствительности относительно среднего значения не более 15-17% и максимальном разбросе обнаружительной способности относительно среднего значения не более 1520% (в зависимости от уровня средней обнаружительной способности).

Часто техническим заданием на матричный фотоприемник допускается наличие на краях линейки незначительного числа элементов, имеющих величину обнаружительной способности несколько меньше остальных (так называемый «мягкий дефект»). При этом величина обнаружительной способности не должна быть меньше определенного минимально допустимого уровня. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента, по которой канал признается неработоспособным, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно. Выбор

величины минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента «дефектного» канала на 15-20% ниже величины разброса «нормального» канала с наименьшей обнаруж!ггельной способностью приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.

Таким образом, в четвертой главе определены диапазон допустимых значений исходного разброса параметров элементов матричного фотоприемного устройства и допустимые пределы обработки элементов оптической системы, при которых тепловизионная система обеспечивает заданные характеристики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По итогам проделанной работы можно сделать вывод, что показана возможность совершенствования и повышения достоверности проектирования тепловизионной системы путем повышения точности теоретической оценки результатов калибровки каналов тепловизионной системы за счет учета геометрического шума фотоприемных устройств.

Кроме того:

1. Выявлены факторы, влияющие на результат калибровки каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения - неоднородность параметров элементов матричного фотоприемного устройства, различия в параметрах аналоговых частей каналов и появление неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом.

2. Разработана модель канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая на этапе проектирования тепловизионной системы учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемного устройства и параметров канала тепловизионной системы на результаты выравнивания разброса сигналов в каналах (калибровки) тепловизионной системы.

3. Выявлено, что результат выравнивания разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы и показано, что для эффективной работы алгоритма выравнивания (калибровки) по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум более величины 5-7. На основании проведенного анализа показано, что с увеличением разброса чувствительности элементов и разброса обнаружительной способности элементов матрицы разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы увеличивается. При этом в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, остаточный разброс сигналов в каналах будет определяться в первую очередь разбросом обнаружительной способности, а не разбросом чувствительности. То есть фотоприемник, содержащий матрицу с большим разбросом обнаружительной способности относительно среднего по матрице значения, может проиграть по величине

эквивалентной шуму разности температуры фотоприемнику с матрицей, имеющей меньшую среднюю по матрице обнаружительную способность, но меньший разброс. Также показано, что в тепловизионных системах следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже II. В противном случае это приводит к появлению дополнительной оптической помехи в объективе за счет отраженного от оптических поверхностей излучения. Появление такого излучения приводит не только к понижению контраста воспринимаемого изображения, но и появлению ошибок при калибровке каналов по сигналам эталонных источников.

4. Получены результаты, которые позволят разработчику тепловизионных систем на ранних этапах разработки провести разбраковку фотоприемников. Для матричных фотоприемников допустим разброс чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-17% и разброс обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-20%. Если требованиями на фотоприемник допускается наличие элементов, имеющих «мягкий дефект», то величина разброса обнаружительной способности относительно среднего для матрицы значения для таких элементов должна быть не более чем на 15-20% больше величины разброса канала, имеющего наименьшую обнаружительную способность. Матрицы, не удовлетворяющие данному условию, должны признаваться негодными для создания высококачественных тепловизионных систем.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. V.A Baloev, V.P. Ivanov, Y.M. Latypov. Modeling of characteristic of array photodetecting device in composition with thermal imaging systems //Proc. SPIE - 2004 - Vol. 5834. - p.67-71.

2. Балоев B.A., Иванов В. П., Латыпов Я.М. Моделирование характеристик матричного фотоприемного устройства в составе тепловизионной системы.// XVIII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Москва, 2004 г. Тезисы докладов, 224с. - с.73

3. Латыпов Я.М. Исследование влияния сигнала эталонного источника на выравнивание геометрического шума матричного фотоприемника инфракрасного диапазона. // Электронное приборостроение (ЭП). Научно-практический сборник (Науч.-пр.сб.). Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск № 3 (31) - Казань: КГТУ (КАИ). 2003 г. — с.54-61.

4. Латыпов Я.М. Моделирование тепловизионной системы на основе матричного фотоприемника и исследование влияния обработки сигнала с фотоприемника на характеристики системы.// Электронное приборостроение (ЭП). Научно-практический сборник (Науч.-пр.сб.). Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск № 2 (43) -Казань: КГТУ (КАИ). 2005г. - с.55-61.

5. Латыпов Я.М., Несмелое Е.А. Влияние просветляющих покрытий на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения. // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004 г-т4. —с. 15-19.

6. Латыпов Я.М., Несмелое Е.А. Влияние шероховатости элементов системы на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения.// Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004 г - т4. - с.83-87.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печл. 1.0. Усл.печл. 0.93 Усл.кр.-отг. 0.93. Усл.-изд.л. 1.0 Тираж 100. Заказ И96.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, ул. Карла Маркса, д. 10

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Тепловизионные системы как средство наблюдения и контроля за окружающей средой. Моделирование тепловизионных систем как средство оптимизации их расчета и проектирования - современное состояние вопроса.

1.1 Тепловизионные системы как средство наблюдения и контроля за окружающей средой - структура и классификация.

1.2 Фотоприемные устройства тепловизионных систем.

1.3 Появление погрешностей наблюдения, связанных с разбросом сигналов в каналах тепловизионных систем.

1.4 Моделирование тепловизионных систем как средство оптимизации их расчета и проектирования (современное состояние вопроса).

1.5 Постановка задачи.

ГЛАВА 2 Основные виды неоднородностей в каналах приемно-регистрирующего тракта и их влияние на параметры тепловизионных систем.

2.1 Анализ факторов, влияющих на появление разброса сигналов в каналах тепловизионной системы.

2.2 Оценка величины сигнала на входе канала.

2.3 Прохождение сигнала через канал тепловизионной системы.

2.4 Особенности вычисления поправок для калибровка каналов.

2.5 Эквивалентная шуму разности температур и дальность действия аппаратуры.

2.6 Средства реализации вычисления разброса сигналов в каналах.

2.7 Выводы.

ГЛАВА 3 Сравнение результатов теоретических исследований с результатами, полученными экспериментально.

3.1 Сравнение расчетных и практических характеристик тепловизионной системы.

3.2 Зависимость температурно-частотной характеристики и температуры эквивалентной шуму тепловизионной системы от разброса сигналов в каналах.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4 Влияние конструктивных особенностей оптико-электронного тракта на дальность действия тепловизионной системы.

4.1 Влияние шероховатости элементов оптической системы на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения.

4.2 Влияние разброса чувствительности и обнаружительной способности элементов фотоприемника.

4.3 Появление отдельных каналов с обнаружительной способность много меньше среднего значения.

4.4 Влияние разброса на дальность тепловизионной системы.

4.5 Выводы.

В настоящее время в мире проводятся исследования по совершенствованию методов и средств неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, а также разработка устройств для создания систем наблюдения и контроля указанных объектов. Одно из важнейших направлений этих исследований - разработка систем, воспринимающих сигналы в инфракрасной области спектра. Так, например, при мониторинге земной поверхности, тепловое поле этой поверхности отражает наличие, количество, категорию и энергетическое состояние находящихся на ней искусственных или естественных объектов, что позволяет решить целый ряд задач по обнаружению природных ресурсов, контролю за состоянием различных инженерных сооружений, исследованию состояния земной поверхности, водной среды, атмосферы и т. д. Одним из наиболее эффективных технических средств для решения задач, связанных с наблюдением объектов в инфракрасной области спектра, являются тепловизионные системы [1-8].

Существенный рост возможностей тепловизионных систем обусловлен переходом от систем первого поколения (с инфракрасными фотоприемниками, имеющими незначительное число чувствительных элементов и сканированием фотоприемником наблюдаемой картины в двух направлениях) к тепловизионным системам второго поколения (с матричными фотоприемниками в виде линейных матриц элементов и сканированием линейкой элементов только в одном направлении; при этом каждый элемент линейки формирует одну строку телевизионного кадра) [9-15]. Достоинством тепловизионных систем второго поколения является отработанность технологии, возможность разрешения объектов с высокими пространственными частотами и сравнительно невысокая стоимость конечного изделия [16].

Основные погрешности наблюдения исследуемых объектов с помощью тепловизионных систем на основе матричных фотоприемных устройств сегодня связаны с появлением неоднородности уровня сигналов на выходе каналов системы при равномерной облученности матрицы фотоприемника. Под каналом будем понимать участок приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, формирующий электрический сигнал, начиная с отдельного чувствительного элемента фотоприемника и кончая входом устройства, объединяющего сигналы с элементов в единую последовательность сигналов. Поскольку в тепловизионных системах второго поколения производится сканирование наблюдаемой картины линейкой элементов, неоднородность каналов приводит к появлению в устройстве отдельных строк с яркостью существенно выше или ниже яркости основного изображения или строк, отсутствующих в наблюдаемой тепловой картине. В ряде работ это явление получило название «геометрического шума» [17-22].

Основными причинами возникновения неоднородности уровня' сигналов в каналах являются различие параметров элементов матрицы относительно друг друга. Именно поэтому в ряде литературных источников принято говорить о геометрическом шуме фотоприемных устройств. Причем в обозримом будущем не представляется возможным создать матричный фотоприемник, в котором неоднородность параметров элементов будет устранена полностью. Развитие технологий изготовления фотоприемников позволит в дальнейшем лишь снизить разброс параметров элементов и, следовательно, сигналов в каналах [19, 23]. Создание аналоговых усилителей с абсолютно идентичными характеристиками в обозримом будущем также не представляется возможным.

В последнее время для оптимизации расчета и проектирования тепловизионных систем используется множество математических моделей, которые дают возможность с требуемой точностью определить ряд характеристик этих систем. Общей особенностью существующих моделей является то, что все они предлагают на этапе разработки задавать допустимый разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы. Допустимый разброс определяется исходя из величины эквивалентной шуму разности температур тепловизионной системы, при которой система в состоянии выполнить поставленные задачи. При этом считается, что допустимый разброс сигналов в каналах может быть достигнут вне зависимости от разброса параметров элементов матрицы фотоприемника.

Однако, как показывают появившиеся в последнее время публикации, например [24-26], для тепловизионных систем, работающих с пороговыми значениями сигналов, появляющийся из-за влияния геометрического шума фотоприемных устройств разброс сигналов в каналах может оказать существенное влияние на разброс сигналов на характеристики тепловизионных систем. Следовательно, использование методик, не учитывающих геометрический шум фотоприемных устройств, может привести к существенным расхождениям между расчетными и практическими характеристиками систем. Поэтому, с учетом вышесказанного, задача повышения достоверности расчета при проектировании тепловизионной системы остается на сегодняшний день1 актуальной.

Таким образом, с учетом вышесказанного, целью настоящей работы является повышение достоверности расчетов при проектировании тепловизионных систем контроля с учетом геометрического шума фотоприемных устройств.

Для достижения поставленных целей в работе были определены и решены следующие задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на разброс сигналов на выходе каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения.

2. Разработка математической модели канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющей на этапе проектирования учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемника с учетом параметров канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

3. Исследование с помощью разработанной модели влияния геометрического шума матричного фотоприемника на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы и оценка допустимых значений параметров матричных фотоприемных устройств, выполнение которых позволит реализовать требуемые характеристики тепловизионной системы

4. Разработка критериев оценки для проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения.

Научная новизна работы заключается в то, что:

- разработана математическая модель канала приемно-' регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая учесть влияние разброса параметров элементов матрицы фотоприемного устройства на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы при различных алгоритмах калибровки каналов;

- предложен метод, позволяющий на этапе конструирования оценить уровень геометрического шума в тепловизионной системе;

- выявлено, что выравнивание разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Определено минимальное отношение сигнал/шум в приемно-регистрирующем тракте тепловизионной системы, необходимое для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов;

- выявлено, что в тепловизионных системах с матричным фотоприемным устройством, работающих при низких отношениях сигнал/шум, разброс обнаружительной способности в элементах матрицы влияет на достижение минимального разброса на выходе каналов сильнее, чем разброс чувствительности этих элементов;

- показано, что величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента матричного фотоприемного устройства, по которой канал признается неработоспособным в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно;

- сформулированы требования к качеству изготовления поверхностей оптических систем, необходимые для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов в каналах по сигналам от двух эталонов.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- определен диапазон допустимых значений исходного разброса параметров матричного фотоприемного устройства, при которых тепловизионная система обеспечивает требуемые характеристики и разработана методика проведения разбраковки матричных фотоприемников тепловизионных систем второго поколения, что в свою очередь позволит избежать излишних затрат на экспериментальную проверку пригодности конкретного фотоприемника для проектируемой тепловизионной системы;

- определено, что для эффективной работы алгоритма выравнивания разброса сигналов на выходе каналов по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум в приемнорегистрирующем тракте тепловизионной системы не менее величины 5-7;

- определены требования к разбросу параметров элементов матричных фотоприемных устройств; показано, что при разбросе чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-17% и разбросе обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения более 15-20% остаточный после выравнивания разброс сигналов на выходе каналов тепловизионной системы превышает допустимую величину;

- показано, что если величина минимально допустимого разброса обнаружительной способности элемента дефектного канала более чем на 15-20% превышает величину разброса элемента канала с наименьшей обнаружительной способностью, то на экране устройства отображения появляются строки с переменной по кадру яркостью; указанные каналы должны считаться неработоспособными;

- показано, что использование элементов оптических систем, имеющих шероховатость поверхностей хуже II класса чистоты, приводит к появлению дополнительной оптической помехи, вызывающей ошибки при калибровке каналов по сигналам от двух эталонов.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Математическая модель канала тепловизионной системы, позволяющая оценить влияние параметров тепловизионной системы на разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы.

2. Разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы зависит не только от параметров фотоприемного устройства, но и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы. Для тепловизионных систем, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, величина разброса сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы определяется в первую очередь разбросом обнаружительной способности элементов матричного фотоприемника, а не разбросом их чувствительности.

3. Величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов выбирается исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника. Несоблюдение этого требования приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью.

4. В тепловизионных системах следует использовать элементы оптических систем с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже II. В противном случае появляется дополнительная оптическая помеха внутри объектива, которая может повлиять на калибровку каналов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы ^ докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «XVIII

Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения», Москва, 2004г.; VI Международная конференция «Прикладная оптика - 2004», Санкт-Петербург, 2004г.; Международный оптический форум «Оптика - 2005», Москва, 2005г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 печатных работах.

4.5 Выводы

Итак, по результатам, представленным в четвертой главе мы можем сделать следующие выводы:

- для того, чтобы избежать появления дополнительной оптической помехи, следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими класс чистоты не хуже II; в противном случае растет уровень паразитного излучения внутри объектива за счет отраженного от оптических поверхностей излучения; появление такого излучения приводит к снижению контраста воспринимаемого изображения, а также может привести к неравномерному облучению матрицы эталоном и появлению ошибок калибровки вне зависимости от равномерности характеристик каналов; результат выравнивания разброса сигналов в каналах (калибровки каналов) зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы; для эффективной работы алгоритма выравнивания (калибровки каналов) по сигналам двух эталонов требуется отношение сигнал/шум не менее 5-7; с увеличением разброса чувствительности элементов матрицы фотоприемного устройства относительно среднего по матрице значения остаточный разброс сигналов увеличивается, при этом тем больше, чем выше для матрицы уровень разброса обнаружительной способности и тем меньше, чем выше величина средней обнаружительной способности;

- в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, разброс сигналов в каналах будет определяться в первую очередь разбросом обнаружительной способности, а не разбросом чувствительности; фотоприемник, содержащий матрицу с большим разбросом обнаружительной способности, может проиграть по величине эквивалентной шуму разности температуры фотоприемнику с матрицей, имеющей меньшую среднюю по матрице обнаружительную способность, но меньший разброс;

- наилучшее выравнивание разброса сигналов в каналах (калибровка каналов) происходит при разбросе чувствительности относительно среднего по матрице фотоприемного устройства не более 15-17% и разбросе обнаружительной способности относительно среднего по матрице фотоприемного устройства не более 15-20%) (в зависимости от уровня средней обнаружительной способности). величина минимально допустимой обнаружительной способности элемента, по которой канал признается неработоспособным, должна выбираться исходя из величины среднего значения обнаружительной способности конкретного фотоприемника, а не задаваться априорно; случай, когда величина разброса минимально допустимой обнаружительной способности элемента для «дефектных» каналов более чем на 15-20% превышает величину разброса канала, имеющего наименьшую обнаружительную способность, приводит к появлению на экране устройства отображения строк с переменной по кадру яркостью; каналы с разбросом, превышающим указанную величину, должны переводится в категорию «неработоспособных».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проделанной работы можно сделать вывод, что показана возможность совершенствования и повышения достоверности проектирования тепловизионной системы путем повышения точности теоретической оценки результатов калибровки каналов тепловизионной системы за счет учета геометрического шума фотоприемных устройств.

Кроме того:

1. Выявлены факторы, влияющие на результат калибровки каналов приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы с матричным фотоприемником второго поколения - неоднородность параметров элементов матричного фотоприемного устройства, различия в параметрах аналоговых частей каналов и появление неравномерности засветки матричного фотоприемника эталонным сигналом.

2. Разработана модель канала приемно-регистрирующего тракта тепловизионной системы, позволяющая на этапе проектирования тепловизионной системы учесть влияние геометрического шума матричного фотоприемного устройства и параметров канала тепловизионной системы на результаты выравнивания разброса сигналов в каналах (калибровки) тепловизионной системы.

3. Выявлено, что результат выравнивания разброса сигналов в каналах зависит как от параметров фотоприемного устройства, так и от отношения сигнал/шум в каналах тепловизионной системы и показано, что для эффективной работы алгоритма выравнивания (калибровки) по сигналам от двух эталонов требуется отношение сигнал/шум более величины 5-7. На основании проведенного анализа показано, что с увеличением разброса чувствительности элементов и разброса обнаружительной способности элементов матрицы разброс сигналов в каналах на выходе тепловизионной системы увеличивается. При этом в тепловизионных системах, работающих с низкими отношениями сигнал/шум, остаточный разброс сигналов в каналах будет определяться в первую очередь разбросом обнаружительной способности, а не разбросом чувствительности. То есть фотоприемник, содержащий матрицу с большим разбросом обнаружительной способности относительно среднего по матрице значения, может проиграть по величине эквивалентной шуму разности температуры фотоприемнику с матрицей, имеющей меньшую среднюю по матрице обнаружительную способность, но меньший разброс. Также показано, что в тепловизионных системах следует использовать оптические системы с поверхностями, имеющими шероховатость по классу чистоты не хуже II. В противном случае это приводит к появлению дополнительной оптической помехи в объективе за счет отраженного от оптических поверхностей излучения. Появление такого излучения приводит не только к понижению контраста воспринимаемого изображения, но и появлению ошибок при калибровке каналов по сигналам эталонных источников.

4. Получены результаты, которые позволят разработчику тепловизионных систем на ранних этапах разработки провести разбраковку фотоприемников. Для матричных фотоприемников допустим разброс чувствительности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-17% и разброс обнаружительной способности элементов относительно среднего для матрицы значения не более 15-20%). Если требованиями на фотоприемник допускается наличие элементов, имеющих «мягкий дефект», то величина разброса обнаружительной способности относительно среднего для матрицы значения для таких элементов должна быть не более чем на 15-20% больше величины разброса канала, имеющего наименьшую обнаружительную способность. Матрицы, не удовлетворяющие данному условию, должны признаваться негодными для создания высококачественных тепловизионных систем.

1. Орлов В.А., Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости. — М.: Воениздат, 1989 254 с.

2. Шилин Б.В. Тепловая аэросъемка при изучении природных ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980 - 248 с.

3. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля М.: Машиностроение, 1991 -240 с.

4. Сурин В.Г., Т.А. Попова, М.А. Шубин, B.C. Андреев. Спектральная диагностика геоботанических аномалий по стрессам растений по данным1.зондирования. // Оптический журнал 2005. - № 6. - с. 78.

5. Жуков А.Г., Горюнов А.Н., Кальфа А.А. Тепловизионные приборы и их применение. — М.: Радио и связь, 1983 168 с.

6. Шилин Б.В., Груздев В.Н., Васильев И.А. Основные достижения вразвитии тепловой аэросъемки. //Оптический журнал -2003- № Ю.-с. 77.

7. Троилин В.И., Строганов В.И. Оптико-электронная система измерения температуры с визуализацией теплового изображения. // Изв. Вузов. Приборостроение 1990 - №5 - с.83.

8. P. R. Norton. Infrared detectors in the next millennium. // Proc. SPIE Vol. 3698 -p.652.1.lO.Antoni Rogalski. Third-generation infrared photon detectors. // Optical

9. Engineering -2003 Vol. 42. - №12 - p. 3498

10. P. Norton. HeCdTe infrared detectors. // Opto-Electron. Rev. 2002 - №10 -p.159.

11. Ерофейчев В. Г. Инфракрасных матрицы на основе фотодиодов HgCdTe и фотоприемников с квантовыми ямами. // Оптический журнал 2000. -№ 1.-С.5

12. Ерофейчев В.Г., Мирошников М.М. Перспективы использования ИК матриц в тепловидении // Опт. Журнал, №2 1997 - стр. 5.

13. Белозеров А.Ф., Иванов В.М. Современные зарубежные тепловизионные приборы. // Оптический журнал 2003. - № 10. - С. 62.

14. Ершов В.А., Рублев А.В., Старченко А.Н. Тепловизионный пеленгатор кругового обзора.//Оптический журнал 2005. - № З.-С. 37.

15. Дегтярев Е.В., Рудый И.В. Анализ эффективности тепловизионных приборов различных классов и выбор схем их построения. Оптико-электронные системы визуализации и обработки изображений. //Сборник статей. Выпуск 1. Москва 2001 - стр. 19.

16. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико электронных приборов. - М.: Логос, 2004. - 480 с.

17. B.F. Levine. // J. Appl. Phis v. 74. - 1993 - R1-R80.

18. Ерофейчев В. Г. Инфракрасные фокальные матрицы. // Оптический журнал- 1995.-№ 2.-С. 3

19. J. М. Mooney. F. D. Shephard, W. S. Ewing. J. Е. Marguia. and J. Silverman. Responsivity nonuniformity limited performance of infrared staring cameras. // Optical Engineering-1989-Vol. 28.- №11 p. 1151

20. V.A Baloev, V.P. Ivanov, Y.M. Latypov. Modeling of characteristic of array photodetecting device in composition with thermal imaging systems //Proc. SPIE 2004 - Vol. 5834. - p.67.

21. Hoist Gerald C. Electro-optical imaging system performance. 3th ed. SPIE Press, Volume PM-121,2004 - 442 c.

22. Соловьев В.И., Анисимов Ю.И. Оценка качества выравнивания каналов тепловизионных приемников при использовании метода микроЬканирования. // Оптический журнал 2005. - № 6. - С. 47

23. В. М. Ratliff and М.М. Hayat. An algebraic algorithm for nonuniformity correction in focal-plane arrays. //J.C)pt.Soc.Am.-2002 -vol.19 №30 -p. 1737

24. Павлов Н.И., Эльц Е.Э. Исследование характера временной зависимости отношения сигналов в ИК и видимом каналах радиометрической аппаратуры при наблюдении фрагментов космического мусора. // Оптический журнал 2006. - № 1. - С. 46.

25. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико электронных приборов. - М.: Логос, 2004.-472 с.

26. Таубкин И.И., Тришенков М.А. Сравнительная оценка информативности визуальных и тепловизионных методов наблюдения в условиях теплового баланса Земли. // Оптический журнал 1995. - № 4. - С. 11.

27. ЗО.Орлов В. А., Петров В. И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной освещенности. — М.: Воениздат, 1989.—400 с.

28. Ллойд Дж. Системы тепловидения. Пер. с англ.— М.: Мир, 1978 416 с.

29. Госсорг Ж. ИК-термография; Пер. с франц. — М.: Мир, 1988. 416 с. ЗЗ.Овсянников В.А., Филиппов В.Л. К развитию методик оценкиэффективности видовой оптико-электронной аппаратуры // "40 лет НПО ГИПО", Казань, Дом печати, 1997 704 с.

30. Справочник по ИК-технике, т. 2 / Под ред. У.Вольфа, Г. Цисиса.-М.: Мир,1998.-347 с.

31. Справочник по ИК-технике, т. 4 / Под ред. У.Вольфа, Г. Цисиса.-М.: Мир,1999.-472 с.

32. Ерофейчев В. Г. Инфракрасных фокальные матрицы // Опт. Журнал, №6 -1994 стр. 4

33. Kruse P. W. Uncooled IR focal plane arrays // Proc. SPIE 1995 - V.25521. P.556

34. Кругликов C.B., Логинов A.A. Многоэлементные приемники изображения. Новосибирск: наука. Сиб. Отд-ние, 1991 - 96 с.

35. Маляров В.Г. Неохлаждаенмые тепловые инфракрасные матрицы // Опт. Журнал, №10 2002 - стр. 60

36. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. Новосибирск: Наука, 2003 - 636 с.

37. Васильев В. В., Овсюк В. Н., Шашкин В. В., Асеев A. JI. Инфракрасныефотоприемные модули на варизонных слоях КРТ и на структурах с квантовыми ямами GaAs/AIGaAs. //Оптический журнал 2005 - том 72, № 6-стр. 63.

38. Breiter R., Cabanski W., Koch R. et al. Focal plane arrays: MCT, quantum wells, PtSi // Proc. SPIE 1998 - V. 3436 - P. 359

39. Holst Gerald C. Electro-optical imaging system performance. 2th ed. SPIE• Volume PM-84, 2000 43 8 c.

40. Раковский Ю.Н. Возможность и условия адаптивного выравнивания каналов оптико-электронной аппаратуры с многоэлементным фотоприемником по сигналам наблюдаемой сцены. // Оптический журнал -2004.- № 1.-С.36.

41. W. Gross, Th. Hierl, M. Shulz and J. Haigh. Correctability of the spatial nonuniformity in various infrared focal plane arrays. //Proc. SPIE 1998 -Vol. 3436.-p.203.

42. M. Shulz and L. Galdwell. Nonuniformity correction and correctability of infrared focal plane arrays. //Proc. SPIE 1995 - Vol. 2470. - p.200.

43. M. Shulz and L. Galdwell. Nonuniformity correction and correctability of infrared focal plane arrays. // Infrared Phys. Technol. — 1995 — Vol. 36 — p.763.

44. David. L Perry, Eustace L. Dereniak. Linear theory of nonuniformity corrections in infrared starring arrays. // Optical Engineering 1993 - vol. 32 №8-p. 1854.

45. W. Isoz, T. Svensson, I. Renhorn. Nonuniformity correction of infrared focal plane arrays. //Proc. SPIE 2005 - Vol. 5783. - p.949.

46. June Keun Ji, Jae Ryong Yoon, Kyuman Cho. Nonuniformity correction scheme for an infrared camera including the background effect due to camera temperature variation. // Optical Engineering -2000 Vol. 39. - №4 - p. 936

47. Несмелова И.М, Иванов В.П. Современная оптоэлектроника. Казань: ЗАО «Новое знание», 2002. - 92с.

48. Брамсон М.А. Ж излучение нагретых тел. М.: Наука, 1964 - 224 с.

49. Брамсон Н.А.Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. М.: Наука. - 1964. - 320 с.

50. Алеев P.M., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. Казань: Изд-во Казанск. Ун-та. 2000. - 256 с.

51. Справочник по ИК-технике, т. 1 / Под ред. У.Вольфа, Г. Цисиса. -М.: Мир, 1995.-606 с.

52. Cogan J.L. Passive remote sensing of slant path transmittance from aircraft // Applied Optics. — 1988. — V. 27, № 15

53. Криксунов JI. 3. Справочник по основам ИК-техники. — M.: Сов. Радио, 1978-400 с.

54. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов B.J1. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань: Изд-во Унипресс, 1998. -320 с.

55. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. JL: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1983 - 696 с.

56. William L. Wolfe. Introduction in infrared systems design. Washington, SPIE Volume TT24 1996 - 132 p.

57. Пинегин Н.И., Травникова Н.П. Вероятность визуального обнаружения объектов как функция их угловых размеров контраста и времени поиска // Оптико-механ. промышл. 1971. - № 5. - С. 3-6.

58. Иванов В.П. Прикладная оптика атмосферы в тепловидении. Казань: Новое знание, 2000. - 357 с.

59. Иванов В.П. К вопросу о разработке инженерной методики пропускания атмосферы.// Оптика атмосферы 1990 -т.З —№11, с.1165.

60. Иванов В.П. Моделирование распределения прозрачности атмосферы в ближней инфракрасной области спектра. Оптика атмосферы 1990 - т.З -№ 8 - с.828.72.3уев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 270 с.

61. Мухин С.В., Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Совершенствование обобщенной компьютерной модели оптико-электронной системы «Комос». // Труды VI Международной конференции «Прикладная оптика». С.-Пб., 2004. Сборник трудов. Том III. С. 30.

62. G. Н. Kornfeld and W.R. Lawson. Visual perception model, Journal of the optical Society of America. 1971 - Vol. 61(6) - p. 811

63. Marquic M. Two-parametr atmospheric model for ARQUIRE //Proc. SPIE -1995- Vol. 2470.-p.466.

64. Вафиади A.B. Аналитические модели сканирующих тепловизионных приборов. // Оптический журнал 1997. - № 1. - С. 32.

65. Вафиади А.В. Геометрический шум в тепловизионных приборах. // Оптический журнал 1997. - № 2. - С. 21.

66. Таубкин И.И., ТришенковМ.А. Минимальная разность температур, обнаруживаемая тепловизионным методом. // Оптический журнал -1993.- №5.-С. 20.

67. J. D'Agostino and С. Webb. 3-D Analysis Framework and Measurement Methodology for Imaging System Noice. // Proc. SPIE 1990 - Vol.1448 -p.110.

68. P. Bijl, M.A. Hogervorst, J.M. Valeton. YOD, NVTherm and TRM3 model calculation: a comparison. //Proc. SPIE 2002 - Vol. 4719. - p.51.

69. Janesick J. Lux transfer: complementary metal oxide semiconductors versus charge-coupled devices // Optical Engineering 2002 - V. 41 - № 6. - P. 1203

70. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. -М.: Машиностроение, 1992 128 с.

71. Латыпов Я.М. Исследование влияния сигнала эталонного источника на выравнивание геометрического шума матричного фотоприемникаинфракрасного диапазона // Электронное Приборостроение 2003, 3(31)- с.54.

72. Латыпов Я.М., Несмелов Е.А. Влияние просветляющих покрытий на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2004 г т4. - с. 15.

73. Max J. Riedl. Optical design fundamentals for infrared systems 2th ed. -Washington, SPIE Volume TT48 - 2001 - 184 p.

74. Гайнутдинов И. С, Иванов В.П., Несмелов Е.А. Назначение и свойства оптических интерференционных покрытий. Казань: Фэн, 2002 - 202 с.

75. J.Lopez-Alonzo, J. Alda. Automatic clasification of noise for infrared images into processes by means of the principal component analysis. //Proc. SPIE -2002- Vol. 4719.-p.95.

76. Справочник по ИК-технике, т. 3 / Под ред. У.Вольфа, Г. Цисиса.-М.: Мир, 1999.-472 с.

77. Kneizys F.X„ Shuttle Е.Р., Abreau L. W. et al. Users guide to LOWTRAN 7. -Hanskom AFB, MA: Air Force Geophysical Laboratory Report AFGL-TR-88-0177 1988.

78. Marquic M. Two-parameter atmospheric model for ACQUIRE // Proc. SPIE -1995-V.2470.-P. 466

79. Mark D. Nelson, Jerris F. Johnson, Terrence S. Lomheim. General noise processes in hybrid infrared focal plane arrays. // Optical Engineering -1991 -Vol. 30.- №11-p. 1682

80. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986-512 с.

81. L. J. Kozlowski. К. Vural. J. Luo, A. Tomasini. Т. Liu. and W. E. Kleinhans. Low-noise infrared and visible focal plane arrays. // Opto-Electron. Rev. 1999 - №7 - p. 259.

82. J. M. Mooney. Effect of spatial noise on the minimum resolvable temperature of a starring sensor. //Applied Optics. — 1991. — V. 30, № 23 p. 3324.

83. Методика расчета и подтверждения дальности тепловизионного прибора. -Казань, ФГУП «НПО «ГИПО», 2001 39 с.

84. Филиппов B.JL, Макаров А.С., Иванов В.П. Оптическая погода в нижней тропосфере. Казань: Издательство «Дом печати», 1998 - 183 стр.

85. С. Larroque, K.Thompson, D. Hickman. UAV sensor system for close-range operations. //Proc. SPIE 2002 - Vol. 4719. - p. 124.

86. Трестман M.M., Харькова Н.И., Егошин K.B. Экспертная оценка рекламируемых значений дальности действия тепловизионных приборов. //Труды VI Международной конференции «Прикладная оптика». Сборник трудов. 2004. Том IV. С. 31.

87. Вафиади А.В. Экспериментальное исследование влияния геометрического шума на основные характеристики тепловизионного прибора.//Оптический журнал- 1997.- № 2.-С. 17.

88. Латыпов Я.М., Несмелов Е.А. Влияние шероховатости элементов системы на результирующий сигнал фотоприемника инфракрасного излучения. // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика» 2004 - Т4., с.83.

89. A. Turner. R. Keller. P. Dreiske, M. Ohlson. J. Beck, and T. Teherani. Operability and Defect Analysis of Large Area Staring. HgCdTe Arrays. // Proc. 1999 Meeting of the MSS Specialty Group on Infrared Detectors, ERIM -2000