автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Влияние топологии матричного фотоприемника на эффективность использования ИК приборов

На правах рукописи

Смирнов Алексей Леонидоьич

ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИК ПРИБОРОВ

!

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Белоусов Ю.И.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Цыцулин А.К. доктор технических наук, профессор Утенков Б.И.

Ведущая организация - ФГУП ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится « 27 » декабря 2005 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «д У » ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

гооь~(\ петз

г%г 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Инфракрасное приборостроение в настоящее время находится на рубеже двух очередных этапов своего развития. На предыдущем этапе с помощью сканирующих ИК приборов решалась проблема получения изображения в инфракрасном диапазоне волн с таким же качеством, какое достигнуто в телевидении. Развитие технологии позволило приступить к выпуску «ИК приборов 3-го поколения», основанных на несканирующих, «смотрящих» фокальных матрицах - матричных фотоприемных устройствах (МФПУ).

Технические параметры матричных и сканирующих ИК приборов (ИКП) близки, однако эксплуатационные характеристики у ИКП 3-го поколения существенно выше. Поэтому перспективы развития ИК приборостроения в целом связываются именно с матричными приборами.

Основными современными типами ИКП являются тепловизоры и теплопелен-гаторы. Тепловизионные приборы (ТВП) предназначены для предъявления оператору по возможности неискажённой картины теплового поля объекта. Анализ получаемой картины и определенные решения принимает оператор, на основании образа объекта и измеренных значений его температуры. Теплопеленгаторы (ТП) предназначены для обнаружения и определения координат, как правило, целей малого размера. Сигналы подвергаются сложной обработке, а решение принимается автоматическими устройствами.

Практика создания и использования матричных ИКП выявила ряд недостатков, отражающихся на их эффективности. Главным фактором, ограничивающим эффективность таких приборов, являются структурные искажения изображения. Это общая проблема оптико-электронного приборостроения, которая связана с дискретным характером фотоприёмников и с ограничениями оптической апертуры. Причём, в ИКП структурные искажения изображения значительно более заметны, чем в телевидении. Успешные технические приёмы из области компенсации структурных' Помех в телевизионных изображениях не могут быть прямым образом применены при решении специфических задач тепловидения, теплопеленгации и радиометрии. , ,

Необходимость борьбы с помехами, вызванными структуризацией изображения фокальными матрицами была очевидна с самого начала их использования, однако практические результаты в ИК области на сегодняшний момент недостаточны. В связи с этим появляется весьма актуальная задача - выявление закономерностей влияния характеристик топологии ИК матричного фотоприёмника (МФП) на особенности регистрации и использования инфракрасного излучения в тепловизорах и теплопелегаторах.

В качестве количественных параметров топологии выбраны коэффициент заполнения (Л) фотоприёмника (отношение светочувствительной части к общей площади чувствительного элемента МФП) и соотношение размеров «кружка рассеяния» оптической системы и чувствительного элемента фотоприемника (ФП).

Конечная практическая цель такого исследования состоит в выработке рекомендаций по уменьшению влияния структурных помех на эффективность использования ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения параметров теплового излучения природных и анцзопогенных объектов.

БИБЛИОТЕКА |

т

Цель работы:

На основании вышеизложенного была сформулирована основная цель работы: - определение количественных связей между параметрами топологии матричного фотоприёмника и характеристиками эффективности прибора в терминах вероятности обнаружения, распознавания и измерения радиационных температур объектов.

Для достижения сформулированной цели необходимо было решить основные задачи:

1. Обосновать выбор количественных параметров топологии МФП и количественных характеристик эффективности применения ИК приборов.

2. Разработать методики определения количественных соотношений между параметрами топологии и характеристиками эффективности применения ИК приборов:

3. Исследовать зависимости пороговых контрастов матричного ТВП от коэффици»-ента заполнения МФП при учёте внутренних шумов и внешних фоновых помех.

4. Определить границы допустимых значений коэффициента заполнения МФП для ИК приборов с заданными показателями эффективности.

5. Выработать рекомендации по техническим путям увеличения эффективного значения коэффициента заполнения МФПУ.

Предметами исследования являются топология матричного фотоприёмника и общепринятые характеристики ИК приборов.

В качестве характеристики ТВП рассматривается одна из стандартных форм представления его частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) - температурно-частотная характеристика (ТЧХ). Эффективность ТП при обнаружении точечных целей характеризуется вероятностью правильного обнаружения (Роб„) при заданном темпе ложных тревог, вычисляемой на основе оценок значений отношения сигнал-шум (ОСШ). Степень эффективности применения измерительных ИК приборов оценивается на основе определения величины погрешности измерения радиационной температуры объектов при дистанционном зондировании.

При исследованиях применялись методы аналитических расчётов, компьютерного моделирования и прямых измерений в лабораторных и натурных условиях.

Новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые получена количественная связь значений коэффициента заполнения матричного ФПУ и таких общепринятых характеристик ИК приборов, как ТЧХ, вероятность обнаружения точечной цели и погрешность измерения радиационной температуры;

2. Показано, что без применения специальных технических мер для повышения значения эффективного коэффициента заполнения чувствительного элемента матрицы (например, микросканирования или микролинз) использование матричных ТП для обнаружения точечных целей менее эффективно, чем использование сканирующих ТП с переналожением строк. Увеличение диаметра кружка рассеяния оптики в матричных ТП даёт ухудшение их эффективности по критерию вероятности обнаружения точечных целей на предельных дистанциях.

3. Экспериментально получены оценки зависимости погрешностей измерения радиационной температуры от размера фрагмента изображения наблюдаемого объекта;

4. Предложен технический вариант повышения эффективного коэффициента заполнения матричного ФПУ за счет дискретного пятипозиционного микросканера, обоснованный с позиций усложнения системы сканирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. ЧКХ матричного тепловизионного прибора нелинейно зависит от коэффициента заполнения ФПУ. При уменьшении коэффициента заполнения от 1 до 0,45 частотно-контрастная характеристика матричного тепловизионного прибора ухудшается более чем в два раза в области предельно высоких пространственных частот в условиях равномерного фона.

2. Выявленная зависимость вероятности обнаружения точечной цели от коэффициента заполнения и соотношения кружка рассеяния оптики и размеров элемента матричного ФПУ показывает, что из-за неинвариантности отклика ФПУ к сдвигу изображения их использование для теплопеленгации целесообразно в сочетании с техническими приёмами микросканирования и применения микролинз. Средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели для идеального матричного ФПУ без зазоров не превышает 63% от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента и нелинейно уменьшается с уменьшением коэффициента заполнения.

3. При дистанционных измерениях радиационной температуры с помощью матричных тепловизионных приборов для объектов, занимающих менее 9x9 элементов тепловизионного изображения, необходимо учитывать дополнительную погрешность измерений, зависящую от размера изображения. При стандартных фоновых условиях для объектов, занимающих 1 элемент тепловизионного изображения, дополнительно к паспортной погрешности измерения радиационной температуры добавляется погрешность в 2,3 градуса.

Практическая значимость:

- результаты исследований позволяют уточнить существующие методики оценки дальности и вероятности обнаружения и распознавания целей с помощью матричных ИКП;

- полученные в ходе исследований зависимости позволяют повысить достоверность результатов дистанционных измерений радиационной температуры за счёт их корректировки с учётом размеров изображения наблюдаемых объектов;

- разработанные методики и результаты исследований позволяют оценивать целесообразность реализации различных технических приёмов повышения эффективного коэффициента заполнения МФПУ по критериям, основанным на показателях эффективности использования ИКП в задачах обнаружения, распознавания и измерения температуры.

Личный вклад автора

Автором была разработана компьютерная модель и проведено с её помощью исследование процесса свертки изображения тест-объекта с моделью матрицы ФП имеющей заданный коэффициент заполнения, при учёте закона распределения энергии в кружке рассеяния и внешних и внутренних шумов. Модель предназначена для исследования минимальной разрешаемой разности температур (МРРТ), как одного из основных параметров, характеризующих разрешающую

способность матричного ТВП. Экспериментальные результаты по определению ТЧХ ТВП получены автором совместно с тремя-четырьмя операторами, что является требованием стандартной методики определения ТЧХ ТВП (ОСТ 3-4408-82).

Автором разработана компьютерная модель и проведено исследование зависимости отношения сигнала к шуму и вероятности обнаружения точечных целей от топологии МФПУ матричного ТП для различных соотношений размеров кружка рассеяния оптики и чувствительных элементов фотоприёмника.

Тепловизионные картины, представленные в диссертации, были получены лично автором при помощи тепловизоров «ТЪеп1ктзюп-570» и «ТЪегтаСАМ-695», фирмы АОЕМА, Швеция.

Изложенные в диссертации выводы принадлежат автору.

Реализация на практике

Результаты исследований по оценкам погрешностей измерения и методам их уменьшения при использовании матричных ТВП реализованы в методических рекомендациях автора, применяемых в деятельности ООО «Инженерная Компания «Спектр», что отражено в акте внедрения результатов научно-исследовательской работы.

Результаты исследований использованы при выполнении НИР в рамках хоздоговорной работы с ФГУП НПО «ГИПО» г. Казань, проект «Матрица», отчет за 2001-2002 г.г.

Апробация работы:

Результаты, полученные в ходе данной диссертационной работы, были представлены и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:

1. Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-99», Санкт-Петербург, 1999г.

2. Прикладная оптика - 2000, Санкт-Петербург, 2000г.

3. XII научно-техническая конференция «Пути развития телевизионных и фотоэлектронных приборов и устройств на их основе», «Электрон», Санкт-Петербург, 2001г.

4. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2001,2002 и 2004гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них -3 статьи и тезисы к 2-м докладам на российской и международной научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 73 рисунка и 18 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обоснование темы диссертации и оценку ранее выполненных исследований. В этом разделе также обосновывается актуальность темы диссертации и содержится определение объекта, предмета и рамок исследования.

Формулируются цели исследования и средства ее достижения, а также научные задачи и методы их решения. Приводятся формулировки основных научных результатов, указание на их новизну, достоверность и практическую значимость. Выделены основные результаты, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящён исследованию влияния коэффициента заполнения матричного фотоприёмника на качество тепловизионного изображения.

Приводится анализ существующих методик оценки характеристик ИК приборов. Существуют две группы характеристик ИКП, каждая из которых может быть определена с достаточно высокой достоверностью как на основе полуэмпирических аналитических моделей, так и путём прямых статистически обеспеченных экспериментов, основанных на методах экспертных оценок. К первой группе можно отнести технические характеристики ИКП, такие как разность температур, эквивалентная шуму (РТЭШ), минимально разрешаемая разность температур (МРРТ) и ТЧХ. Эти характеристики ИКП измеряются в лабораторных условиях и служат для сопоставительных оценок разных приборов. Ко второй группе характеристик относятся показатели прогностических оценок эффективности использования ИКП при решении задач обнаружения, распознавания и измерения параметров теплового поля объектов, наблюдаемых в различных фоновых условиях и при воздействии разнообразных естественных и искусственных помех. Эффективность применения ИКП в различных областях характеризуется весьма разными критериями. Однако можно сформулировать ту их общую черту, что все критерии эффективности связаны с прогнозом правильности решений более высокого уровня, принимаемых на основе информации, поступающей от ИКП. Эффективность применения ИКП прямым образом связана с достоверностью интерпретации получаемой с их помощью информации и надёжностью прогнозов, вырабатываемых на её основе.

Понятие интерпретации информации наиболее просто выражается в количественном виде в задачах, связанных с обнаружением, распознаванием и классификацией объектов, где могут быть рассчитаны или измерены соответствующие вероятности правильного решения задачи на данном иерархическом уровне принятия решений, или дистанции, на которых такое решение принимается с заданной вероятностью. Более сложная трактовка понятия интерпретации информации присуща задачам, где оператор на основе содержательной структуры тепловизионного изображения выбирает решение из многих альтернатив, и она характерна для медицинских, промышленных и экологических областей применения тепловидения и радиометрии. Здесь повышение достоверности интерпретации результатов дистанционного зондирования прямо связано с извлечением в явном виде количественной информации из тепловизионного изображения. Из-за того, что в явном виде содержательная структура информации не очевидна для наблюдателя, основные надежды возлагаются на оценку количественных соотношений, определяемых на основе тепловизионных изображений.

Общепринятыми характеристиками служат вероятность правильного распознавания (Ррасп)11 вероятность обнаружения объектов (Р0вн) на заданной дальности и при заданном темпе ложных тревог, дальность распознавания объектов с заданной вероятностью правильного распознавания (обнаружения) при заданных условиях наблюдения, время, необходимое для принятия правильного решения с заданной вероятностью и при заданных условиях.

Не решённой до конца проблемой остаётся определение исчерпывающей связи между техническими характеристиками ИКП первой группы и их тактическими характеристиками из второй группы. В настоящее время чаще всего используется подход, сформулированный Джонсоном, основанный на той предпосылке, что (Ррасп) или (Pos«) объекта в натурных условиях с помощью оптико-электронного прибора, может быть с заданной достоверностью спрогнозирована по его измеренной в лабораторных условиях ТЧХ. В рамках этого подхода накоплен наибольший практический опыт для ИКП разного назначения. Таким образом, «качество тепло-визионного изображения» (как качественная характеристика, по определению) связывается с количественной характеристикой ИКП - его ЧКХ (её численными параметрами в форме «пороговых контрастов» или ТЧХ). Автор положил этот подход в основу своих исследований, приведённых в разделе 1, и использовал имеющийся в оптико-электронном приборостроении научно-технический задел.

Наиболее разработанная часть теории оптико-электронных приборов достаточно уверенно прогнозирует изменение характеристик сканирующих ИКП при изменении их отдельных технических параметров. Помимо целого ряда методических рекомендаций, изложенных в статьях и монографиях, в отечественной промышленности существуют проекты ГОСТа, определяющего порядок расчёта таких характеристик сканирующих ИКП, как РТЭШ, МРРТ и ТЧХ. Всё это позволило автору не останавливаться на поиске расчётного метода при сравнении матричных и сканирующих ИКП в части последних.

Для оценки влияния эффекта переналожения строк,, соотносимого с формальными значениями к > 1, использовался вариант методики расчёта ТЧХ, разработанной к.т.н. Ивановым Д.В. и Вафиади A.B. под руководством д.т.н., профессора Белоусова Ю.И. *

Однако все эти методики не могут быть в явном виде применены для расчёта ТЧХ матричных несканирующих ИКП. Основная причина - применение ряда нелинейных операций преобразования сигналов непосредственно в матричном фотоприёмнике. Зги,нелинейные операции связаны с пространственно-временной дискретизацией сигналов, выравниванием каналов, интерполяцией, накоплением и считыванием сигналов. Существует множество вариантов технической реализации этих операций, не сводящихся к единой форме аналитического описания.

В качестве основного параметра, характеризующего МФП, используется величина коэффициента заполнения матричного фотоприёмника к, определяемая как отношение площади чувствительного элемента, реально участвующего в преобразовании падающего на МФПУ лучистого потока в электрический сигнал (область 2 на рис.1), к общей,площади одного элемента МФП (область 1 на рис.1).

ч 1

Рис. 1. Топология матричного ФП: 1 - единичный элемент матричного

ФП,

2 - чувствительный слой

В подразделе 1.1 приводится подробный анализ возможности использования Фурье-преобразований для оценки качества изображений. На основе приведённых двухмерных Фурье-преобразований тестовых изображений, передаточных характеристик оптики и МФП, получены их пространственные энергетические и фазовые спектры (Приложение 2). Показано, что методы анализа пространственных спектров не дают возможности получения конечных результатов, прямым образом отвечающих на сформулированные задачи. Поэтому в современном оптико-электронном приборостроении в качестве основного общепринятого метода определения таких параметров, как'РТЭШ, МРРТ и ТЧХ матричных ИКП, используется метод лабораторных измерений. Очевидно, что для работ обобщающего Типа, к которым относится исследование автора, такой подход требует наличия большого количества ИКП, использующих все применяемые на практике типы топологии чувствительных элементов. Поэтому метод компьютерного моделирования Представляется наиболее адекватным, при условии тщательного отбора корректных исходных данных (подраздел 1.2) й проведения оценки достоверности методики моделирования путём прямых сопоставлений с результатами измерений, выполненных для некоторых тестовых ситуаций.

В подразделе 1.3 описывается структура компьютерной модели и методика проведения экспертных оценок качества тепловизионных изображений, основанная на нормативном документе (ОСТ 3-4408-82). Качество тепловизионного изображения автор связывает с ЧКХ матричного ИКП и исследует влияние на неё численных параметров топологии матричного ФПУ, в частности, коэффициента заполнения и относительных размеров кружка рассеяния оптики и чувствительного элемента.

На рис. 2 приведены результаты компьютерного моделирования при различных значениях к. Каждая точка на графике рис. 2 есть результат усреднения нескольких экспериментов в определении минимального порогового контраста Спор.

Рис. 2. Частотно-контрастная характеристика ИКП при различных значениях коэффициента заполнения матричного ФП

И»

Следует остановиться на выборе нормирующей величины. Из физических представлений очевидна целесообразность нормировки на частоту Найквиста, соответствующую обратному значению мгновенного поля зрения ИКП а:

/¡г 1/а.

Для удобства анализа и представления результатов исследований нормированная частота (частота Найквиста) определялась исходя из размеров всего единичное фотоприемника, включая зоны, не чувствительные к оптическому излучению. Этой нормированной частоте соответствует значение 1 по оси абсцисс.

Из рис. 2 видно, что, если сопоставлять моделируемые характеристики ИКП по критерию минимального разрешаемого порогового контраста, то для приборов, у которых к больше, выигрыш можно оценить способностью прибора регистрировать более мелкие детали наблюдаемых объектов, то есть сдвигом ЧКХ в высокочастотную область. Выбрав, например, значение порогового контраста равным 8 (по оси ординат на рис. 2), можно определить, что для к = 0,5 максимально высокая разрешаемая пространственная частота на 20% ниже, чем для ИКП с к = 0,7. Для ИКП с к = 0,3 значение максимальной разрешаемой пространственной частоты более чем на 50%! ниже, чем для ИКП с к = 0,7 и более чем на 30% ниже, чем для ИКП с к = 50%. Таким образом, уменьшение к не только влечет за собой потери в энергетике сигнала, но и приводит к уменьшению максимальной регистрируемой пространственной частоты при прочих равных условиях.

Из приведенных на рис. 2 данных следуют два существенных вывода: 1) по мере уменьшения к моделируемые ТЧХ пропорционально смещаются в область более высоких контрастов, то есть уменьшение коэффициента заполнения ухудшает чувствительность ИКП во всей исследованной области пространственных частот. С энергетической точки зрения, уменьшение к аналогично ухудшению параметров любого из функциональных узлов ИКП, влияющих на амплитуду полезного сигнала. К таким параметрам можно отнести коэффициент пропускания оптической системы, чувствительность МФП и др. 2) Крутизна ТЧХ увеличивается с уменьшением к нелинейно.

Во всех случаях моделируемая ТЧХ зависела от пространственных фазовых соотношений, причем эта зависимость в наибольшей степени проявляется в интервале частот, близких к частоте Найквиста (/„).

Установлено, что размытие изображения оптической системой не изменяет общего хода кривых ЧКХ, хотя количественные соотношения меняются значительно, особенно для высоких пространственных частот. Обобщенный график ЧКХ при различных значениях диаметра кружка рассеяния оптЬки приведен на рис. 3. '' *'

, Увеличение диаметра кружка рассеяния оптики приводит к потере качества изображения тест-объектов: увеличивается требуемое для распознавания мир значение контраста; происходит потеря высокочастотной составляющей пространственного спектра изображения.

t -

Ь--2г0=0,5а ■О— 2г0-1а ■*- 2г0=1,5а ■* - й-ф-й

0.2

0,4

0,6

0,8

1,2

И"

Рис. 3. Частотно-контрастная характеристика МТВП при различных значениях диаметра кружка рассеяния оптики. к =0,5

Компьютерное моделирование позволяет автору разделить влияние собственных шумов МФПУ и пространственных фоновых помех. Кроме того, исследованы варианты разных статистических законов распределения флуктуаций воздействующих шумовых образований.

На рис.4 изображены зависимости порогового контраста от к для шумов с одинаковой статистикой и одинаковым значением яркости шумовых образований, но имеющих различную природу: пространственные фоновые шумы (флуктуации яркости фона) и внутренние шумы ФП.

Первый вывод, который можно сделать исходя из этих зависимостей, это значительное (более чем в два раза при к = 0,5) уменьшение порогового контраста, требуемого для разрешения штриховых мир на фоне пространственных шумов, по сравнению с внутренними шумами ФП, имеющими одинаковый закон распределения и амплитуды яркостей шумовых образований.

120

100

80

60

40

0.0

0,2

0А

Зал 4 'лвд •

Рис.4. Зависимость порогового контраста от к МФП, с учетом: —сп- • пространственных шумов; —-собственных шумов МФП.

Распределение пространственных и фоновых шумов - равномерное. Яркость шумов ±50 градаций серого. Ориентация миры вертикаль-

но

Объяснение этого эффекта заключается в том, что пространственные шумы подвергаются операции усреднения (свертка изображения с передаточной функцией МФПУ), и вместе со всем фоном понижаются при уменьшении к т.е. происходит эффект «сглаживания» фона, создавая более комфортные условия для оператора при разрешении тест-объектов.

■ С уменьшением к крутизна кривых для внутренних шумов ФП резко возрастает, т.е. происходит резкое ухудшение качества изображения тестовых объектов.

Таким образом, вклад, вносимый в ухудшение качества изображения за счет собственных шумов ФП гораздо больший, чем от пространственных помех, имеющих ту же статистику и средний разброс яркости. Причем эффект ухудшения усиливается с уменьшением к.

При моделировании пространственных шумов, имеющих распределения Пуассона и Гаусса, оказалось, что при одинаковых амплитудах яркостей и одинаковом значении дисперсии, для разрешения тестового объекта на фоне шумов Пуассона требуется увеличение порогового контраста от 10% до 20% по сравнению с шумами, имеющими нормальный закон распределения кластеров. Основная причина этого факта заключается в том, что в распределении Пуассона, по сравнению с нормальным распределением, с большей частостью появляются низкочастотные пространственные образования, сравнимые с размерами тест-объекта. На фоне низкочастотных шумов штриховые миры, имеющие более высокие пространственные частота,' обнаружить труднее.

Проведено сравнение результатов моделирования с результатами физического эксперимента с тепловизионной камерой «ТЪегтоУ18юп-570». Методика сопоставления результатов моделирования и результатов физического эксперимента описана в подразделе 1.5. Сравнение показывает достаточно хорошее совпадение результатов физического эксперимента и результатов моделирования, что является подтверждением достоверности методики моделирования.

Раздел 2 посвящён исследованию влияния топологии матричного фотоприёмника на эффективность ТП при обнаружения точечных целей. Методики оценки эффективности ТП обсуждаются в подразделе 2,1. Результаты исследования влияние топологии матричного фотоприёмника на величину ОСШ при наблюдении точечных целей приведены в подразделе 2.2.

Методика оценки влияния коэффициента заполнения к на Р0бн с помощью матричных ИКП основана на разработанной в отечественной и зарубежной литературе совокупности методик оценки эффективности ТП. Общий подход заключается в использовании табулированного интеграла вероятности Лапласа для определения вероятности обнаружения точечной цели при различных значениях ОСШ (р) и вероятности ложных тревог (Рт):

о

При достаточно очевидных допущениях и ограничениях можно акцентировать внимание на выявлении зависимости величины ОСШ от к, используя общепринятые методики для определения зависимости Р0бн от ОСШ. Результаты этих исследований приведены в подразделе 2.3. Сделанные на основании этого выводы (подраздел 2.4) свидетельствуют о том, что эффективность применения МФПУ для пе-

ленгации точечных объектов достаточно мала по сравнению со сканирующими приборами, в которых реализовано переналожение строк. Это связано с неинвариантностью отклика МФП к сдвигу изображения (рис. 5). Неинвариантность существенно возрастает с увеличением зазоров между элементами МФП, т.е. при уменьшении к. Это проявляется в изменении значения ОСШ, а следовательно и Робн при изменении координат проекции изображения точечной цели на поверхности МФП (рис. 6). Поэтому в качестве рекомендации делается вывод о том, что в ТП целесообразно введение микролинз, либо применение приёмов оптико-механического микросканирования.

1 1,6 2 Дх/а, отн.ед.

Рис. 5. Зависимость вероятности обнаружения точечной цели матричным ТП от положения центра изображения точечной цели на матрице ФП. Сдвиг по оси ОХ либо ОУ. Начало отсчета - центр ФП. Ряд 1 - вписанный кружок рассеяния; ряд 2 - описанный кружок рассеяния; ряд 3 - вписанный кружок рассеяния и увеличенная в 1,57 раза облучённость площадки

1 -

0,8-I 0,6

си

0,4

0,2 + 0

Дх/а, отн.ед.

В разделе 3 обсуждаются вопросы влияния к на погрешности тепловизион-ных измерений радиационной температуры объектов. Определений зависимости погрешностей измерения радиационной температуры от к опирается на результаты оценки ; о влияния на ТЧХ. Техническая причина возникающей приборной погрешности при измерениях температуры заключается в том, что э'талЬ^НЙЙ излучатель, радиационная температура которого (или интенсивность ЙК излучения) используется в качестве «опорного уровня» при измерениях, визируется одновременно всеми чувствительными элементами, то есть, имеет очень большой угловой размер (по определению). При этом передаточная характеристика оптико-

V---* = 0,5

Рис. 6. Зависимость вероятности обнаружения точечной цели матричным ТП от положения центра изображения точечной цели на матрице ФП при различных значениях коэффициента заполнения (к). Сдвиг по оси ОХ либо ОУ. Начало отсчета - центр ФП

2,5

ж

4М4мщ

фотоприёмного тракта (ТЧХ) соответствует участку в области самых низких пространственно-временных частот. Рассматриваемая автором область пространственных частот находится вблизи высокочастотного предела. Она соответствует наблюдению объектов или фрагментов теплового поля с достаточно малыми размерами. Как это видно из возрастающего характера ТЧХ, чувствительность ИКП изменяется по мере приближения к высокочастотной области. Поэтому сопоставление измеренного сигнала с эталонным в корректном виде должно учитывать реальную ТЧХ конкретного ИКП. Если этого учёта не происходит, то возникает зависимость между погрешностью измерения радиационной температуры и размером фрагмента измерения. Автор связал угловые размеры наблюдаемых объектов с количеством чувствительных элементов матричного ФП, которые формируют их те-пловизионное изображение. Опираясь на определение частоты Найквиста и результаты исследования ТЧХ в зависимости от к, автор обосновывает методику оценки зависимости погрешности измерения радиационной температуры от величины к (подраздел 3.1). Справедливость такого подхода подтверждается взятыми из литературы данными для матричных болометрических ИКП, различающихся только МФПУ с разными значениями коэффициента заполнения.

В подразделе 3.2 приводятся методика проведения и результаты экспериментальных исследований зависимости погрешности измерения радиационной температуры объекта матричными измерительными тепловизионными приборами от количества элементов МФПУ, формирующих изображение измеряемого фрагмента теплового поля. Результаты исследований содержат количественные данные, не содержавшиеся ранее в известной литературе.

4 < I

Число элементов

Рис. 7. Зависимость погрешности измерения радиационной температуры от числа элементов мгновенного поля зрения тепловизора «ТЬегтогаюп-570» соответствующих размеру объекта наблюдения

С прикладной точки зрения целесообразно сопоставить полученные результаты с аналогичными данными для сканирующих ИКП. С этой целью автор провёл исследования погрешности измерения радиационной температуры объекта с помощью сканирующих ИКП (подраздел 3.3). Выводы по разделу 3 служат основой для анализа и повышения достоверности интерпретации результатов практических применений матричных ИКП для тепловизионого обследования промышленных объектов.

Раздел 4 посвящён исследованию влияния погрешностей дистанционных измерений радиационной температуры на достоверность интерпретации тепловизи-

онных обследований промышленных объектов. Раздел основан на натурных экспериментах, полученных лично автором в разных условиях наблюдения. В частности, приведён анализ результатов измерений параметров тепловых полей электроэнергетического оборудования,

дымовых труб, ограждающих конструкций зданий и сооружений,

тепловых промышленных печей, и других объектов.

Представлены результаты натурных экспериментов, подтверждающие выводы, сформулированные в разделе 3, о необходимости учитывать погрешности измерений радиационных температур, связанные с числом элементов мгновенного поля зрения ИКП, соответствующих размеру объекта наблюдения, на примере измерений радиационных температур удаленных объектов с высокой интенсивностью теплового излучения (рис. 8.1, 8.2).

Отдельный подраздел (4.5) посвящён применению тепловизионных приборов для дистанционного контроля транспортировки грузов по железной дороге.

На основе анализа практического опыта и выполненных автором теоретических исследований в подразделе 4.6 выработаны рекомендации по уменьшению погрешностей дистанционного измерения радиационной температуры с помощью ИКП.

Раздел 5 содержит рекомендации по выбору технических путей повышения эффективного коэффициента заполнения матрицы фотоприёмников в ИКП. Показано, что существует возможность повышения пространственной разрешающей способности сканирующих ИКП как за счет уменьшения эффективного мгновенного поля зрения прибора в целом, так и за счет «переналожения» строк (Лэфф> 1) и увеличения частоты опроса элементов (рис. 9). Однако этот приём требует процедуры межкадровой обработки изображения и расширения оперативной памяти для хранения и обработки нескольких кадров.

/, 1/мрад

Рис.9

Особенность вопроса повышения эффективного коэффициента заполнения МФП в том, что из-за высокой потребности решения «проблемы филл-факгора» в мировой технической литературе высказывается множество предложений, в большей части похожих друг на друга в общих чертах. Вследствие существенно более высоких темпов внедрения технических предложений в конструкции МФПУ за рубежом по сравнению с отечественной промышленностью, автор вынужден констатировать, что высказанные им ранее оригинальные технические решения в настоящее время имеют несколько зарубежных аналогов, обсуждаемых в литературе в качестве уже используемых в конкретных приборах. Учитывая реальные трудности реализовать предложенные автором технические приёмы увеличения эффективного коэффициента заполнения чувствительного элемента МФПУ, автор рассматривает литературные данные как подтверждение правильности высказанных ранее технических предложений.

Выводы

1. На основе разработанной компьютерной модели и лабораторных экспериментов определены предельно допустимые значения коэффициента заполнения МФПУ по критерию ухудшения ЧКХ ИКП. При коэффициенте заполнения от 0,9 до 0,6 ЧКХ матричного ИКП ухудшается более чем на 30% в области предельно высоких пространственных частот в условиях равномерного фона с яркостью, соответствующей средней яркости динамического диапазона.

2. Использование матричных ФПУ для теплопеленгации целесообразно в сочетании с техническими приёмами микросканирования и применения микролинз. Из-за неинвариантности отклика МФПУ к сдвигу изображения средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели даже для идеального МФПУ без зазоров не превышает 63% от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента.

3. При стандартных фоновых условиях для объектов, занимающих 1 элемент теп-ловизионного изображения, дополнительно к паспортной погрешности измерения радиационной температуры добавляется погрешность в 2,3 градуса. Измерения радиационной температуры матричным ИКП с паспортной погрешностью возможны лишь для тех фрагментов тепловизионного изображения, которые занимают не менее девяти элементов.

Заключение содержит оценку полноты выполненных работ и полученных результатов с позиций решения основных задач и достижения целей, сформулированных во введении диссертации.

Приложения содержат листинг разработанной автором компьютерной программы, известные модели и расчётные формулы основных характеристик ИКП, иллюстрации моделирования работы МФПУ на базе двухмерных Фурье преобразований сигналов, а также, примеры результатов тепловизионных обследований промышленных объектов.

Основные результаты диссертации

1. Обоснован выбор количественных параметров топологии МФП и характеристик эффективности применения ИКП при решении задач обнаружения, распознавания и измерения температуры наблюдаемых объектов.

2. Разработаны методики определения количественных соотношений между коэффициентом заполнения фотоприёмника, относительными размерами кружка рассеяния оптической системы и чувствительной площадки элемента и ЧКХ ИКП, величиной ОСШ, вероятностью обнаружения точечных целей в теплопеленгаторах и значениями погрешности измерения радиационной температуры с помощью измерительных ИКП.

3. Прове :ены исследования зависимости пороговых контрастов матричного ИКП от коэффициента заполнения при учёте внутренних шумов матричного ФП и внешних фоновых шумов.

4. На основании выбранных критериев определены границы допустимых значений коэффициента заполнения ФП, позволяющие обнаруживать, распознавать и изме-

рять температуру, объектов с помощью ИК приборов с заданными показателями эффективности.

5. Выработаны рекомендации по техническим путям увеличения эффективнбго значения коэффициента заполнения матричного ФПУ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Утенкр^ А.Б. Влияние коэффициента заполнения матричного фотоприемника на качество тепловизионного изображения / А. Б. Утенков, Ю.И. Белоусов, А.Л. Смирнов // Оптический журнал. - 2001. - Т.68, №8. - С. 75-80.

2. Тепловизионный метод дистанционного контроля транспортируемых грузов / Ю.И. Белоусов, М.П. Плетникав, А.Б. Утенков, A.JI. Смирнов // Оптический журнал. - 2002. - Т. 69, №2. - С. 50-53.

3. Белоусов, Ю.И. Оценка качества изображения, формируемого матричным ФП с различными коэффициентами заполнения / Ю.И. Белоусов, A.JI. Смирнов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. Физика твердого тела и электроника. - 2002. -Выи. 1.-С. 50-54.

4. Утенков, А.Б Влияние коэффициента заполнения матричного фотоприемника на качество тепловизионного изображения / А.Б. Утенков, Ю.И. Белоусов, А.Л. Смирнов // Пути развития телевизионных и фотоэлектронных приборов и устройств на их основе: тез. докл. XII науч.-техн. конф., г.Санкт-Петербург, 27-29 июня 2001 г. - СПб., 2001. - С. 24-26.

5. Смирнов, А.Л. Качество изображения и филл-фактор в матричных тепловизорах / А.Л. Смирнов, Ю.И. Белоусов, А.Б. Утенков // Прикладная оптика - 2000: сб. тр. междунар. конф., г.Санкт-Петербург, 16-20 окт. 2000 г. - СПб., 2000. - Т.1. - С. 123124.

Подписано в печать 21.11.2005. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис> Печать ризографическая. Заказ № 1/2111. П. л. 1.0. Уч.-иэд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес юр : 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16. Адрес факт.. 197376, Санкт-Петербург, ул Проф. Попова, д. 5. тел.: (812) 327 5098

»2531*

РНБ Русский фонд

2006-4 29528

Перечень условных обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ. ►

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЁМНИКА НА КАЧЕСТВО ТЕПЛОВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

1.1. Методики оценки характеристик ИК приборов и обоснование применяемых методов исследований.

1.2. Анализ используемых исходных данных.

1.3. Методика компьютерного моделирования формирования теп-ловизионного изображения в матричных ТВП.

1.3.1. Результаты исследований ЧКХ матричного ФП.

1.3.2. Исследование ТЧХ матричного ФП при гауссовом распределении энергии в кружке рассеяния оптики.

1.4. Влияния собственных шумов МФПУ и пространственных фоновых помех на качество моделируемого изображения.

1.4.1. Влияние собственных шумов матричного ФП на качество тепловизионного изображения.

1.4.2. Влияние пространственных помех фона на качество моделируемого изображения.

1.4.3. Влияние пространственных фоновых помех и собственных шумов ФП.

1.4.4. Влияние ОС на качество изображения, при наличии пространственных фоновых помех и собственных шумов ФП.

1.5 Методика физического эксперимента.

1.5.1 Сравнение результатов моделирования с результатами физического эксперимента.

1.6. Выводы по разделу 1.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОПОЛОГИИ МАТРИЧНОГО ФОТОПРИЁМНИКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ЦЕЛЕЙ ТЕПЛОПЕЛЕНГАЦИОННЫ

МИ ПРИБОРАМИ.

2.1. Методики оценки эффективности теплопеленгационного прибора.

2.2. Влияние топологии матричного фотоприёмника на величину ji, отношения сигнала к шуму при наблюдении точечных целей.

2.3. Влияние коэффициента заполнения на вероятность обнаружения точечных целей.

2.4. Выводы по разделу 2.

3. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ НА ПОГРЕШНОСТИ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИАЦИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТОВ. 3.1. Обоснование методического подхода к оценке влияния коэффициента заполнения на погрешности измерения радиационной температуры объекта с помощью тепловизионными приборами.

3.2. Методика проведения и результаты экспериментальных исследований матричных измерительных тепловизионных приборов.

3.3. Оценки погрешности измерения радиационной температуры объекта с помощью сканирующих тепловизионных приборов.

3.4. Выводы по разделу 3.

4. ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДИСТАНЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИАЦИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ТЕЛОВИЗИОННЫХ ОБСЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния электрического оборуц, дования.

4.2. Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния дымовых труб.

4.3. Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния зданий и сооружений.

4.4. Влияние погрешностей измерения радиационной температуры на достоверность оценки состояния высокотемпературных печей.

4.5. Применение тепловизионных приборов для дистанционного контроля транспортировки грузов по железной дороге.

4.6. Рекомендации по уменьшению погрешностей дистанционного измерения радиационной температуры с помощью тепловизионных приборов.

4.7. Выводы по разделу 4.

5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ МАТРИЦЫ ФОТОПРИЁМНИКОВ В ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРАХ.

5.1. Выводы по разделу 5.

ВЫВОДЫ.

ИК приборостроение в настоящее время находится на рубеже двух очередных этапов своего развития. На предыдущем этапе решалась проблема получения изображения в инфракрасном диапазоне волн с таким же качеством, какое достигнуто в телевидении. Технической основой, на которой она была решена, явились ИК приборы с оптико-механическим сканированием [1-21], условно обозначаемые сейчас как «ИК приборы 2-го поколения». Дальнейшее развитие технологии создания матричных ИК фотоприёмников (ФП) позволило приступить к массовому выпуску «РЖ приборов 3-го поколения», основанных на несканирующих, «смотрящих» фокальных матрицах [6, 22-24, 27].

Технические параметры матричных и сканирующих ИК приборов достаточно близки, однако эксплуатационные характеристики у ИК приборов 3-го поколения существенно выше. Поэтому перспективы развития ИК приборостроения в целом связываются именно с матричными приборами.

Вместе с тем, практика создания и использования матричных ИК приборов в различных областях народного хозяйства, науки и военной техники выявила ряд их недостатков, устранение которых представляется первоочередной задачей в проблеме повышения эффективности матричных ИК приборов.

Общей проблемой оптико-электронного приборостроения является структуризация оптического изображения, возникающая из-за дискретного характера фотоэлектронных сенсоров и ограничений оптической апертуры [4-8, 17-24, 35, 42-45, 49, 57, 66, 67, 94, 114-119, 130] . В матричных приборах структурные искажения изображения из-за его дискретного характера являются главным фактором, ограничивающим их эффективность. По мере усовершенствования матричных ИК приборов возникают технические противоречия между стремлением наращивать формат матриц, уменьшать размер чувствительного элемента и использовать оптику дифракционного качества с относительным отверстием 1:1 при большом линейном размере фокальной плоскости.

Необходимо отметить, что современный уровень теории оптико-электронного приборостроения не позволяет выработать достаточно общие и обоснованные рекомендации по оценке эффективности тех или иных технических усовершенствований матричных ИК приборов [6, 22-24, 56-69, 99-108, 114-123, 130], как это достигнуто для ИК приборов сканирующего типа [1-5, 721, 40-44, 51-54]. Для выбора наиболее рациональных путей построения матричных ИК приборов требуется создание самостоятельных методов исследований и заимствование приёмов из области цифровой обработки изображений и телевизионной техники.

В телевизионной технике достигнуты успехи, позволяющие, в принципе, решать все обозримые задачи регистрации, обработки и воспроизведения изображения. Первые этапы инфракрасного приборостроения представляли собой распространение телевизионных технологий на область длинноволнового инфракрасного спектра электромагнитных волн. Однако существует ряд причин, из-за которых невозможно прямым образом переносить технические приёмы телевидения в область создания матричных ИК приборов.

При решении задач обнаружения и распознавания объектов конечных размеров по их ИК изображению, решаемых с помощью тепловизионных приборов (ТВП) [1,3-6, 8, 9, 11-18,22-24, 33, 35-48, 55-62, 66, 69, 103-107, 110, 114, 122, 124-129], необходимо осуществлять регистрацию предельно малых оптических контрастов - пороговых сигналов, в области предельно высоких (для данного ТВП) пространственных частот. В то же время, основные параметры ИК фотоприёмника, определяющие величину этого порогового сигнала (чувствительность и уровень собственных шумов), существенным образом зависят от величины падающего на него лучистого потока от наблюдаемого объекта [1,4, 6, 10, 16-18, 22, 24, 63, 67]. Применяемые в традиционном телевидении методы коррекции сигналов и обработки изображений не дают такого же эффекта в тепловидении из-за необходимости обрабатывать именно пороговые сигналы, соизмеримые с внутренними шумами прибора [49, 67, 111].

При решении задач обнаружения точечных целей — задач теплопеленга-ции, решается задача обеспечения максимально высокого значения отношения сигнала к шуму за счёт применения согласованной (оптимальной) фильтрации, сопровождающемся разрушением цельного образа объектов конечных размеров. Теплопеленгаторы составляют достаточно широкий класс ИК приборов, занимающий самостоятельное место в общей номенклатуре оптико-электронных систем (ОЭС). Основная проблема в теплопелегации связывается с обеспечением требуемой достоверности (вероятности) правильного обнаружения точечных целей на максимальной дальности (пороговые сигналы) в присутствии совокупности внутренних шумов и естественных фоновых и организованных антропогенных помех. В области традиционного телевидения пелен-гационные задачи актуальны лишь для узкого круга астронавигационных приборов с их специфическими требованиями по точности определения координат малоразмерных источников оптического излучения [117, 118, 131].

При решении задач радиометрического плана (измерения радиационной температуры объектов) в измерительных ТВП используются различные эталонные ИК излучатели, в то время как телевизионные системы измерительного типа строятся на других принципах. Отсутствие в тепловизионных приборах возможности создать аналог телевизионного «уровня чёрного» заставляет искать оригинальные схемно-технические решения, характерные только для матричных ТВП.

Кроме того, из-за существенного различия в длинах волн оптического излучения, регистрируемого в телевизионных и ИК приборах, степень влияния топологических особенностей матрицы чувствительных элементов в ИК области выше, чем в видимом диапазоне. Здесь структурные искажения изображения значительно более заметны, чем в телевидении.

Наиболее удачный технический приём уменьшения влияния структурных искажений матричных фотоприёмных устройств за счёт применения микролинз в силу технологических особенностей применяется для телевизионных матриц, но не освоен в ИК технике.

Несмотря на настоятельную необходимость борьбы с помехами, вызванными структуризацией изображения фокальной матрицей, практические результаты в PIK области невелики. Поэтому выявление закономерностей влияния характеристик топологии ИК матричного фотоприёмника на особенности регистрации и использования инфракрасного излучения в тепловизорах и теплопе-ленгаторах является весьма актуальной задачей. Конечная практическая цель такого исследования состоит в выработке рекомендаций по уменьшению влияния структурных помех на эффективность использования ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения параметров теплового излучения природных и антропогенных объектов.

Предметами исследования является топология матричного фотоприёмника и общепринятые характеристики ИК приборов. В качестве количественных параметров топологии выбраны коэффициент заполнения (fill-factor - «филл-фактор») фотоприёмника (КЗ) и соотношение размеров «кружка рассеяния» оптической системы и чувствительного элемента ФП.

В качестве характеристики тепловизионного прибора рассматривается одна из стандартных форм представления его частотно-контрастной характеристики - температурно-частотная характеристика (ТЧХ). Эффективность тепло-пеленгационных приборов при обнаружении точечных целей характеризуется вероятностью правильного обнаружения при заданном темпе ложных тревог, вычисляемых на основе оценок значений отношения сигнал-шум (ОСШ). Степень эффективности применения измерительных ИК приборов оценивается на основе определения величины погрешности измерения радиационной температуры объектов при дистанционном зондировании.

Все эти вопросы можно объединить одной технической проблемой -проблемой повышения коэффициента заполнения - повышения «филл-фактора».

Проблеме повышения «филл-фактора» посвящается достаточно много работ за рубежом. Учитывая бурное развитие матричных ИК ФПУ, основная масса публикаций посвящена поиску технических и технологических приёмов его увеличения или уменьшения влияния на изображение в «ИК приборах 3-го поколения». В отечественной литературе присутствует, как правило, констатация достигнутых значений: размер чувствительной площадки, шаг (период) повторения элементов и их общее количество. Выявлению количественных связей характеристик топологии МФПУ и параметров эффективности применения ИК приборов в доступной литературе внимания не уделяется. Поэтому в рамках выполнения диссертационной работы её цель была сформулирована как определение количественных связей между параметрами топологии матричного фотоприёмника и характеристиками эффективности обнаружения, распознавания и измерения радиационных температур объектов при их наблюдении с помощью ИК приборов.

Для достижения сформулированной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор количественных параметров топологии матричного ФП и количественных характеристик эффективности применения ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения температуры наблюдаемых объектов.

2. Разработать методики определения количественных соотношений между коэффициентом заполнения фотоприёмника, относительными размерами кружка рассеяния оптической системы и чувствительной площадки элемента и частотно-контрастной характеристикой тепловизионного прибора, величиной отношения сигнал-шум, вероятностью обнаружения точечных целей в теплопелен-гаторах и значениями погрешности измерения радиационной температуры с помощью измерительных ТВП.

3. Провести исследования зависимости пороговых контрастов матричного ТВП от коэффициента заполнения фотоприемнка при учёте внутренних шумов и внешних фоновых помех.

4. На основании выбранных критериев определить границы допустимых значений коэффициента заполнения ФП, позволяющих обнаруживать, распознавать и измерять температуру объектов с помощью ИК приборов с заданными показателями эффективности.

5. Выработать рекомендации по техническим путям увеличения эффективного значения коэффициента заполнения матричного фотоприемного устройства.

При исследованиях автор применял методы аналитических расчётов, компьютерного моделирования и прямых измерений в лабораторных и натурных условиях.

Достоверность полученных расчётных результатов в общем случае оценивалась путём сопоставления с результатами натурных экспериментов. В частности, исследования влияния топологи МФПУ на частотно-контрастную характеристику тепловизионного прибора проводились методом экспертных оценок, который можно отнести к разряду экспериментальных. Полученные результаты расчётной оценки ТЧХ сравнивались с данными измерений ТЧХ матричного ТВП. Оценки вероятности обнаружения точечных целей с помощью ТП проводились по общепринятым методикам, где новизна состояла в методе получения исходных данных (значений ОСШ). Поэтому достоверность полученных в диссертации результатов оценки эффективности матричных ТП при обнаружении точечных целей можно считать совпадающей с достоверностью оценок, традиционно используемых в теплопеленгации. Кроме того, проводилось сопоставление с результатами исследований дискретности фотоприёмника на пороговую чувствительность телевизионной камеры обнаружения [94, 115118, 131] . С учётом разницы в методологических подходах и используемых исходных данных получены качественно совпадающие закономерности, что также можно считать подтверждением достоверности полученных в диссертации результатов.

Результаты исследования погрешности измерения радиационной температуры с помощью ТВП получены, главным образом, в ходе лабораторных измерений и могут считаться достаточно достоверными.

Новизна полученных результатов состоит в том, что

1. Впервые получена количественная связь значений коэффициента заполнения матричного ФПУ и таких общепринятых характеристик ИК приборов, как ТЧХ, вероятность обнаружения точечной цели и погрешность измерения радиационной температуры;

2. Показано, что без применения специальных технических мер для повышения значения эффективного коэффициента заполнения чувствительного элемента матрицы (например, микросканирования или микролинз) использование матричных теплопеленгаторов для обнаружения точечных целей менее эффективно, чем использование сканирующих теплопеленгаторов с переналожением строк. Увеличение диаметра кружка рассеяния оптики в матричных теплопеленгаторов даёт ухудшение их эффективности по критерию вероятности обнаружения точечных целей на предельных дистанциях.

3. Экспериментально получены оценки зависимости погрешностей измерения радиационной температуры от размера фрагмента изображения наблюдаемого объекта.

4. Предложен технический вариант повышения эффективного коэффициента заполнения матричного ФПУ за счет дискретного пятипозиционного микросканера, обоснованный с позиций усложнения системы сканирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. ЧКХ матричного тепловизионного прибора нелинейно зависит от коэффициента заполнения ФПУ. При уменьшении коэффициента заполнения от 1 до 0,45 частотно-контрастная характеристика матричного тепловизионного прибора ухудшается более чем в два раза в области предельно высоких пространственных частот в условиях равномерного фона.

2. Выявленная зависимость вероятности обнаружения точечной цели от коэффициента заполнения и соотношения кружка рассеяния оптики и размеров элемента матричного ФПУ показывает, что из-за неинвариантности отклика ФПУ к сдвигу изображения их использование для теплопеленгации целесообразно в сочетании с техническими приёмами микросканирования и применения микролинз. Средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели для идеального матричного ФПУ без зазоров не превышает 63% от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента и нелинейно уменьшается с уменьшением коэффициента заполнения.

3. При дистанционных измерениях радиационной температуры с помощью матричных тепловизионных приборов для объектов, занимающих менее 9x9 элементов тепловизионного изображения, необходимо учитывать дополнительную погрешность измерений, зависящую от размера изображения. При стандартных фоновых условиях для объектов, занимающих 1 элемент тепловизионного изображения, дополнительно к паспортной погрешности измерения радиационной температуры добавляется погрешность в 2,3 градуса.

Практическая значимость

- результаты исследований позволяют уточнить существующие методики оценки дальности и вероятности обнаружения и распознавания целей с помощью матричных ИКП;

- полученные в ходе исследований зависимости позволяют повысить достоверность результатов дистанционных измерений радиационной температуры за счёт их корректировки с учётом размеров изображения наблюдаемых объектов;

- разработанные методики и результаты исследований позволяют оценивать целесообразность реализации различных технических приёмов повышения эффективного коэффициента заполнения МФПУ по критериям, основанным на показателях эффективности использования ИКП в задачах обнаружения, распознавания и измерения температуры.

Апробация научных положений проводилась путём знакомства научно-технической общественности с постановкой задачи, методиками и результатами исследований на научно-технических конференциях и семинарах [56, 60, 61, 62, 114].

Публикации по теме диссертации [57, 58, 59]. Результаты исследований по оценкам погрешностей измерения и методам их уменьшения при использовании матричных ТВП реализованы в методических рекомендациях автора, что отражено в Акте внедрения результатов научно-исследовательской работы.

Результаты исследований использованы при выполнении НИР в рамках хоздоговорной работы с ФГУП НПО «ГИПО», г. Казань, проект «Матрица», отчёт за 2001 -2002 г.г.

Диссертация состоит из Введения, пяти разделов и Заключения. К диссертации имеется 4 Приложения, содержащие дополнительный иллюстративный и программный материал.

ВЫВОДЫ

По результатам исследований, выполненных в диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Между параметрами топологии МФПУ и характеристиками эффективности ИК приборов существует однозначная связь, в самом первом приближении состоящая в том, что эффективность всех типов ИК приборов падает с уменьшением коэффициента заполнения элемента матричного фотоприёмника.

2. Традиционные методы определения характеристик оптико-электронных приборов, основанные на анализе двухмерных Фурье-преобразований передаточных функций основных функциональных узлов ИК приборов, не дают однозначных результатов при определении частотно-контрастных характеристик ТВП и не могут служить инструментом для исследования зависимости эффективности распознавания объектов с помощью матричных ТВП.

3. Разработанный метод исследования частотно-контрастной характеристики матричного ТВП, включающий созданную автором компьютерную модель формирования тепловизионного изображения и процедуру экспертных оценок, позволяет установить количественные соотношения между значениями коэффициента заполнения элемента матричного фотоприёмника к и пороговыми контрастами матричного ТВП на разных пространственных частотах, включая область частот Найквиста.

4. Моделирование показало, что оператор может воспринимать искаженное изображение тестового объекта как четырехшпальную миру в некоторой очень малой, но измеряемой области пространственных частот, более высоких, чем частота Найквиста, хотя при этом требуемые значения контраста резко возрастают. Эти результаты представляют особый интерес, поскольку относятся к той области пространственных частот, которая в наибольшей степени ответственна за передачу малоразмерных фрагментов изображения и распознавание объектов на предельных дистанциях.

5. В области предельно высоких пространственных частот при значениях коэффициента заполнения МФПУ от 0,9 до 0, 6 ЧКХ ТВП уменьшается на 30 %. Значение к = 0,45 следует считать предельно допустимым для рационального построения современных ТВП из-за существенного ухудшения ЧКХ.

6. С помощью компьютерного моделирования установлено, что внутренние шумы ФП в значительно большей степени ухудшают качество изображения по сравнению с пространственными фоновыми помехами, имеющими ту же статистику.

Пространственные шумы, имеющие распределение размеров кластеров по закону Пуассона, ухудшают качество изображения в большей степени (приблизительно на 20 %), чем те же шумы с нормальным законом распределения размеров кластеров при одинаковых значениях дисперсии и максимальной яркости.

Во всех экспериментах присутствие внутренних шумов ФП в изображении приводило к тому, что резко увеличивалась крутизна кривых зависимости порогового контраста от к.

7. Разработан метод исследования вероятности обнаружения точечных целей матричными теплопеленгаторами, включающий определение величины ОСШ при различных значениях коэффициента заполнения, размеров чувствительного элемента и кружка рассеяния оптики. Метод позволяет установить количественные соотношения между значениями коэффициента заполнения элемента матричного фотоприёмника к и вероятности обнаружения Р0бН.

8. Установлено, что для обеспечения максимального значения Робн наиболее рациональным является равенство диаметра кружка рассеяния оптической системы линейному размеру чувствительного элемента МФПУ при всех практически встречающихся функциях распределения освещённости в пределах кружка рассеяния оптики. Увеличение диаметра кружка рассеяния оптики (в соответствии с имеющимися в литературе рекомендациями по «размытию» передаточной характеристики оптической системы) дают ухудшение эффективности по критерию вероятности обнаружения точечных целей на предельных дистанциях с помощью матричных ТП. Расфокусировка оптической системы равносильна уменьшению дальности обнаружения точечной цели (т.е.) от тс0'5/ к °'5 до (2л;)0'5/Аг °'5 раз, или же, пропорциональному увеличению площади входного зрачка оптической системы ТП для компенсации уменьшения плотности лучистого потока на элемент.

9. Исследования показывают, что без применения специальных технических мер для повышения значения эффективного коэффициента заполнения чувствительного элемента матрицы (например, микросканирования или микролинз) использование матричных теплопеленгаторов для обнаружения точечных целей менее эффективно, чем использование сканирующих теплопеленгаторов с переналожением строк. Из-за неинвариантности отклика МФПУ к сдвигу изображения средняя по полю зрения вероятность обнаружения точечной цели даже для идеального МФПУ без зазоров не превышает 63 % от максимальной вероятности её обнаружения, которая достигается при полном вписывании изображения цели в чувствительную площадку элемента.

10. Значение коэффициента заполнения к — 0,346 можно считать предельным минимальным значением к, которое ограничивает применение МФПУ для теплопеленгации. На практике для обеспечения значения Р0бн= 0,9 эффективное значение коэффициента заполнения МФПУ для матричных ТП должно быть существенно выше этого значения: к » 0,346.

11. При наиболее распространённых значениях к от 0,5 до 0,8 из-за случайного характера попадания изображения точечной цели на чувствительные элементы матрицы значение прогнозируемой вероятности обнаружения точечной цели в среднем по полю зрения матричного ТП не превышает 0,47.

12. При «переналожении» мгновенных полей зрения элементов матричного ТП обеспеченность обнаружения точечной цели повышается почти до 1,0.

В частности, при эффективном значении к = 3 обеспеченность вероятности обнаружения точечной цели с Р0бН = 0,9 не зависит от места попадания изображения точечной цели на плоскость МФПУ, то есть, от случайного характера положения цели в поле зрения матричного ТП.

13. Проведённые эксперименты по измерению зависимости погрешности измерения радиационной температуры матричными ТВП от количества чувствительных элементов МФПУ, формирующих тепловизионное изображение измеряемого фрагмента объекта, показали, что эта зависимость связана с ТЧХ ТВП.

14. Измерения показали, что для исследуемого типа современного матричного ТВП погрешность измерения температуры объекта совпадает с паспортным значением при угловых размерах измеряемого фрагмента от 9 х 9 элементов и больше. При уменьшении размеров измеряемого фрагмента погрешность измерения температуры возрастает и максимальна при измерении температуры точечных объектов (до 2,3 К).

15. Для повышения достоверности интерпретации результатов теплови-зионных обследований промышленных объектов должны учитываться погрешности измерения радиационной температуры, связанные с дискретным характером матричного ФПУ.

16. Предложенный технический приём микросканирования матричного ФПУ обеспечивает повышение значения эффективного коэффициента заполнения и, соответственно, улучшение характеристик ИК приборов. Реализация этого приёма требует увеличения частоты съёма информации с МФПУ и объема памяти устройства хранения и обработки информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перспективы развития ИК приборостроения в целом связываются с матричными приборами - «приборами 3-го поколения». Однако уже на настоящем этапе выявился ряд их недостатков, устранение которых представляется первоочередной задачей. Главным фактором, ограничивающим эффективность матричных ИК приборов, является дискретный характер преобразования оптического поля наблюдаемого объекта в электрические сигналы в матричных ФПУ. Структурные искажения изображения проявляются в разном виде, поэтому и различны методы борьбы с ними.

Некоторые из этих методов являются весьма дорогостоящими с технической точки зрения. Поэтому чрезвычайно важно оценить рентабельность применения таких методом с позиций эффективности конечного результата применения ИК приборов. Но в рамках традиционного подхода, разработанного для сканирующих приборов, оказалось невозможным найти количественные соотношения параметров, чтобы сравнивать технические варианты построения матричных приборов.

Перед, автором стояла задача совместить традиционные показатели эффективности ИК приборов с характеристиками новых функциональных элементов — матричных ФПУ. Используя результаты фундаментальных исследований в области оптико-электронного приборостроения и разработав специальные способы моделирования и расчётных оценок, автор связал такие обобщённые показатели эффективности ИК приборов, как вероятность правильного обнаружения и распознавания объектов, а также погрешность измерения их радиационной температуры, с параметрами МФПУ, которые определяются технологией их создания: с размерами чувствительного элемента и коэффициентом заполнения (филл-фактором).

При всей очевидности качественной связи коэффициента заполнения и информативности ИК прибора (чем ниже коэффициент заполнения, тем менее информативен ИКП), до настоящего времени нет объективной оценки той области значений коэффициента заполнения (КЗ), в пределах которой применение МФПУ обеспечивает решение задач, стоящих перед ИКП, и тех значений КЗ, при которых матричные ИКП «3-го поколения» проигрывают по эффективности сканирующим ИКП «2-го поколения».

В рамках диссертационной работы автору удалось с помощью моделирования и экспериментов выявить основные закономерности и получить количественные значения параметров топологии МФПУ и показателей эффективности ИКП. В частности, учитывая существующую связь вероятности распознавания с температурно-частотной характеристикой ТВП, проведены исследования влияния коэффициента заполнения на частотно-контрастную характеристику тепловизора с учётом внутренних шумов и внешних помех. Проведены исследования влияния коэффициента заполнения на величину отношения сигнала к шуму и на вероятность обнаружения точечной цели тёплопеленгатором при различных соотношениях размеров чувствительного элемента матрицы и кружка рассеяния оптики. Проведены экспериментальные исследования зависимости погрешности измерения радиационной температуры от частотно-контрастной характеристики измерительного матричного ТВП и выработаны рекомендации по учёту погрешностей измерения тепловых полей при интерпретации результатов те-пловизионных обследований промышленных объектов. Предложен вариант повышения эффективного значения коэффициента заполнения МФПУ за счёт микросканирования.

Исследования, проведённые в диссертационной работе, направлены на решение важной задачи современного оптико-электронного приборостроения - повышение эффективности матричных ИК приборов.

Решение такой задачи опирается на количественные оценки выигрыша в характеристиках эффективности ИК приборов при реализации различных вариантов построения тепловизоров и теплопеленгаторов. Полученные в диссертации результаты позволяют устанавливать количественные связи между параметрами топологии матричного фотоприёмника и характеристиками эффективности обнаружения, распознавания и измерения радиационных температур объектов при их наблюдении с помощью ИК приборов.

В ходе выполнения исследований в диссертации решены следующие задачи:

1. Обоснован выбор количественных параметров топологии матричного ФП и характеристик эффективности применения ИК приборов при решении задач обнаружения, распознавания и измерения температуры наблюдаемых объектов.

2. Разработаны методики определения количественных соотношений между коэффициентом заполнения фотоприёмника, относительными размерами кружка рассеяния оптической системы и чувствительной площадки элемента и частотно-контрастной характеристикой ТВП, величиной ОСШ, вероятностью обнаружения точечных целей в ТП и значениями погрешности измерения радиационной температуры с помощью измерительных ТВП.

3. Проведены исследования зависимости пороговых контрастов матричного ТВП от коэффициента заполнения ФП при учёте внутренних шумов и внешних фоновых помех.

4. На основании выбранных критериев определены границы допустимых значений коэффициента заполнения ФП, позволяющие обнаруживать, распознавать и измерять температуру объектов с помощью ИК приборов с заданными показателями эффективности.

5. Выработаны рекомендации по техническим путям увеличения эффективного значения коэффициента заполнения МФПУ.

Результаты исследований позволяют уточнить существующие методики оценки дальности и вероятности обнаружения и распознавания целей с помощью матричных тепловизоров и теплопеленгаторов. Полученные в ходе исследований зависимости позволяют повысить достоверность результатов дистанционных тепловизионных измерений радиационной температуры за счёт их корректировки с учётом размеров изображения наблюдаемых объектов. Разработанные методики и результаты исследований позволяют оценивать целесообразность реализации различных технических приёмов повышения эффективного коэффициента заполнения матричных фотоприёмников по критериям, основанным на показателях эффективности использования ИК приборов в задачах обнаружения, распознавания и измерения температуры.

1. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1983. 696 с.

2. Шестов Н.С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех. М.: Сов. Радио, 1967. 348 с.

3. Аксютов Л.Н. Анализ моделей для оценки влияния фоновой помехи на вероятность визуального различения объектов. Оптический Журнал, Т. 70, №9, 2003. С. 2431.

4. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978.

5. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. М.: Мир, 1988. 400 с.

6. Матричные фотоприёмные устройства ИК диапазона. Под ред. С.П. Синицы. Новосибирск: Наука, 2001. 376 с.

7. Левшин В.Л. Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации. М.: Сов. Радио, 1971. 200с.

8. Rotman S.R. Modeling human search and target acquisition performance. Opt. Eng., v.28, №11, 1989.

9. Овсянников B.A., Филиппов В.Л. К развитию методик оценки эффективности видовой ОЭА. Научно технический сборник НПО ГИПО, Казань, изд. «Дом печати», 1997. С. 646-661.

10. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М.: Мир, 1972. С. 534.

11. Омелаев А.И., Скворцов Ю.Е., Филиппов В.Л. Анализ факторов, влияющих на достоверность оценок эффективности ТВП при испытаниях в натурных условиях. Сб. НПО ГИПО, Казань, «Дом печати», 1997. С. 662697.

12. ГОСТ 27675 88. Приборы тепловизионные. Термины и определения.

13. ОСТ 3 — 4408 — 82. Приборы тепловизионные медицинские. Методы измерений основных параметров.

14. Rosell F.A. Levels at Visual Discrimination for Real Scenes Objects vs Bar Pattern Resolution for Aperture and Noise limited Imagery, Report 75CH0956-3 NAECON, June, 1973.

15. Аллеев P.M., Овсянников В.А., Чепурский B.H. Воздушная тепловизион-ная аппаратура для контроля нефтепродуктопроводов. М.: Недра, 1995. 160 с.

16. Тришенков М.А. Фотоприёмные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. М.: Радио и связь, 1992. 400 с.

17. Таубкин И.И., Тришенков М.А. Минимальная пороговая разность температур, обнаруживаемая тепловизионным методом. Оптический журнал, №5, 1993. С. 20-23.

18. Taubkin I.I., Trishenkov М.А. Information capacity of electronic vision systems. Infrared Physics and Technology, 37, 1996, pp. 675-693.

19. Левшин В.JI. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

20. Криксунов Л.З. Справочник по основам ИК техники. М.: Сов. Радио, 1978.400 с.

21. Демидов Е.Ф., Шаркова Э.В. Влияние параметров ОЭП на его пороговую чувствительность при наличии помех внешнего фона. ОМП, 1, 1987. С.1-5.

22. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа», М.: Логос 2004. 444 с.

23. Погорельский С.Л., Пальцев М.В., Дмитриев А.В. Методика расчёта энергетических параметров ОЭП с фотоприёмником матричного типа. Изв. Вузов, Приборостроение, Т. 46, №9, 2003. С. 54-56.

24. Rosell F.A. Predicting the performance of IR Staring Arrays, SPIE, vol. 1762, 1992, pp. 278-305.

25. Брамсон М.А. ИК излучение нагретых тел. М.: Наука, 1965. 222 с.

26. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. Радио, 1969-1971 г.г. Т. 1, 2, 3.

27. Mr. James R. Buss, Staring IR Panoramic Sensor, Proceeding of SPIE Infrared Technology and Application XXIV, Vol. 3436 (1998). p. 743-762.

28. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений.

29. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. М.: Логос, 1999. 480 с.

30. Шилин Б.В. Молодчинин И.А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъёмкой. М.: Недра, 1992. 64 с.

31. ГОСТ 21878-76. Случайные процессы и динамические системы. Термины и определения. Госкомстандарт, М., 1976. 30 с.

32. Акимов П.С. Теория обнаружения сигналов. М.: Сов. Радио, 1984. 440 с.

33. Казамаров A.A., Хорол Д.М., Шкурский Б.И. Оптимальное выделение оптических сигналов на фоне помех при наличии собственных шумов приёмника излучения. Автоматика и телемеханика, №9, 1974. С. 40-52.

34. Резник М.Х. Обнаружение точечного излучателя в присутствии фоновых помех негауссового тапа. ОМП, № 3. 1972 . С. 3-6.

35. Якушенков Ю.Г. Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и Связь, 1981. 180 с.

36. Васьковкий A.A., Романов С.С. Расчёт ПЧФ органов зрения при обнаружении и распознавании объектов наблюдения. ОМП, № 9, 1987. С. 4751.

37. Hait I., Nemirovsky I. Infrared Physics, v.29, № 6, 1989, pp. 971-984.

38. Мирошников M.M., Нестерук В.Ф. Информационные аспекты иконики. Оптический журнал, № 12, 1993. С. 72-81.

39. Важинский В.Е., Иванова Е.Е., Тетерин В.В. Структурный метод распознавания частично искажённых контурных изображений. Оптический журнал, № 8, 1996. С. 37- 42.

40. Вафиади A.B. Шабашев O.K., Нации В.Н. Влияние неравномерности чувствительности элементов ФПУ на ТЧХ ТВП, Оптический журнал, № 8, 1996. С. 37-42.

41. Sanders J.S., Currin M.S., Halford C.E. Visual perception of IR imagery. Optical Engineering, November, v.30, No.l 1, 1991, pp. 1674-1681.

42. Kennedy H.V. Modeling second-generation thermal imaging system. Optical Engineering, November, v.30, No.l 1, 1991, pp. 1771-1778.

43. Karim M. A., Gao M.L., Zheng S.H. Minimum resolvable temperature difference model: a critical evolution. Optical Engineering, November, v.30, No.l 1, 1991, pp. 1788-1796.

44. Мирошников M.M. и др. О разрешающей способности ТВП. ОМП, № 1, 1975. С. 14-16.

45. Мирошников М.М. и др. Методика представления изображений и их обработка. ОМП, № 7, 1977. С. 3-6.

46. Мирошников М.М., Нестерук В.Ф., Порфирьева Н.Н. Иконика и обработка изображений. ОМП, № 12, 1978. С. 34-36.

47. Мирошников М.М., Иванова Р.Н., Кремень Н.В. Методика расчёта пороговой чувствительности тепловизора. «Тепловидение», Межвузовский сборник научных трудов. М.:; МИРЭА, № 2, 1978. С. 4-9.

48. Мирошников М.М., Нестерук В.Ф. Информационные аспекты иконики. Оптический журнал, № 12, 1993. С. 72-81.

49. Золотарёв В.Ф. Безвакуумные аналоги телевизионных трубок. М.: Энергия, 1972.216 с.

50. Павлов А.П., Черников А.И. Приёмники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М.: Энергия, 1972. 240 с.

51. Аксёненко М.А., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фото приёмные устройства. М.: Энергоатомиздат, 1984. 208 с.

52. Богомолов П. А. Приёмные устройства ИК систем. М.: Радио и связь, 1987. 208 с.

53. Ишанин Г.Г. Приёмники излучения оптических и оптико-электронных приборов. JL: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. 174 с.

54. Марков М.Н. Приёмники инфракрасного излучения. М.: Наука, 1968. 168

55. Белоусов Ю.И., Утенков А.Б., Ласточкин Е.В. Влияние типа отображающего устройства на качество изображения штриховых мир в тепловизи-онных устройствах. Оптический Журнал, №12, декабрь 2000. С. 8-10.

56. Белоусов Ю.И., Утенков А.Б., Смирнов А.Л. Качество изображения и филл-фактор в матричных тепловизионных приборах. Тезисы докладов Международной конференции «Прикладная Оптика 2000», октябрь 2000.

57. Белоусов Ю.И., Смирнов А.Л., Утенков А.Б. Влияние коэффициента заполнения матричного фотоприёмника на качество тепловизионного изображения, Оптический Журнал, № 8, Т. 68, 2001. С. 75-80.

58. Белоусов Ю.И., Утенков А.Б., Смирнов А.Л., Плетников М.П. Теплови-зионный метод дистанционного контроля транспортируемых грузов. Оптический Журнал, №2, Т. 69, 2002. С. 50-53.

59. Белоусов Ю.И., Смирнов А.Л. Оценка качества изображения, формируемого матричными ФП с различными коэффициентами заполнения. Известия СПб ГЭТУ (ЛЭТИ), серия «Физика твёрдого тела и электроника», № 1,2002. С. 50-54.

60. Хребтов Н.А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приемники ИК излучения. Оптический журнал, №6, 1997.

61. Anders GM Dahlberg, Sefan Johanson. "QWIP Sensors in Military Applications", In "Infrared Imaging Systems". Design, Modeling and Testing XI. Proceeding of SPIE, Vol. 4030 (2000).

62. Volcman Norcus, Gerald Gerlach. "Uncooled multispectral detectors", Infrared Technology and Application XXIV, Vol. 3436 (1998).

63. Александров B.A., Важинский B.H., Кремень H.B. Имитационная модель несканирующей ИК камеры. Оптический журнал №8, 2000.

64. Артюков В.А., Дахин A.M. и др. Особенности проектирования ИК камеры на основе ПЗС с силицидом платины для обнаружения удаленных малоразмерных объектов. Оптический журнал, №6, 1997.

65. Watton R., Manning P. Ferroelectrics in uncooled thermal imaging // Proc. SPIE. -1998. Vol .3436. P. 541-554.

66. Ronald G. Driggers, Mel Kruer, Dean Scribner, Penny Warren, Jon Leach-tenauer. "Sensor performance conversions for infrared target acquisition and intelligence surveillance — reconnaissance imaging sensors". Applied optics. Vol. 38, №28, 1999.

67. ГОСТ 25314-82. Контроль неразрушающий тепловой. Термины и определения.

68. ГОСТ 26782-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы оптические и тепловые. Общие технические требования.

69. ГОСТ 23483-79. Контроль неразрушающий. Методы теплового вида. Общие требования.

70. ГОСТ 26629-85. Метод тепловизионного контроля качества. Теплоизоляция ограждающих конструкций.

71. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.

72. ГОСТ 28243-96. Пирометры. Общие технические требования.

73. ГОСТ 25380-82. Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающую конструкцию.

74. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

75. ГОСТ 26602-85. Окна. Метод определения сопротивления теплопередаче.

76. ГОСТ 51379-99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов.

77. ГОСТ 51380-99. Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нормативным значениям.

78. ГОСТ 51387-99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение.

79. ГОСТ 51388-99. Энергосбережение. Информирование потребителей об энергоэффективности изделий бытового и коммунального назначения.

80. ГОСТ 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей.

81. С.А.Бажанов. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств.

82. Применение инфракрасной техники в энергетике. ОРГРЭС. Вып. 1, 1997.

83. Объём и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97.

84. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. РД 153-34.0-20.363-99.

85. Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. ПЭИПК. Вып. 11, СПб, 1997.

86. Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. ПЭИПК. Вып. 2, СПб, 1997.

87. Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования, зданий и сооружений на основе приема излучений в инфракрасном диапазоне. СПб, ПЭИПК, 1997.

88. Применение тепловизионных приёмников для выявления дефектов высоковольтного оборудования. Методические указания, Л., 1990.

89. Тепловизионное обследование вводов. Электрические станции, №4, 1999.

90. Тепловизионная диагностика высоковольтного оборудования энергосистем и энергопредприятий. "Новости электротехники", №5, 2001.

91. Цыцулин А.К., Голушко М.Н., Мартынихин АВ. Различение изображений в условиях неинвариантносга к сдвигу. Техника средств связи, серия «Техника телевидения», вып.1,1887. С. 24-31.

92. Benefits of microscan for staring infrared imagers John Lester Miller and Dr. John Wiltse FLIR Systems Inc, 16505 SW 72na Ave. Portland, Or. 97224.96. http://www.sinar.ch/press/release/SinarbackHR e. pdf. 2004.

93. Зуев B.E., Банах B.A., Покасов B.B. Оптика турбулентной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. С. 384.

94. Ковалёв В.А. Видимость в атмосфере и её определение. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. С. 216.

95. Е. Watson, R. Muse, and F. Blommel, "Aliasing and blurring in microscanned imagery", Proc. SPIE: Infrared Imaging Systems, 1689, pp. 242-250, 1992.

96. C. Gillette, T. Stadtmiller, and R. Hardie, "Aliasing reduction in staring infrared imagers utilizing subpixel techniques," Optical Engineering, 34, pp. 3130-3137, 1995.

97. F. Blommel, P. Dennis, andD. Bradley, "The effects of microscan operation on staring infrared sensor imagery", Proc. SPIE: Infrared Technology XVII, 1540, pp. 653-664, 1991.

98. K. Hock, "Effect of oversampling in pixel arrays", Optical Engineering 34 (5), pp. 1281-1288, May 1995.

99. G. Hoist, Electro-Optical Imaging System Performance, JCD Publishing, Winter Park Fl, pp. 185-190 and 212-217, 1995.

100. С. Luengo, Hendriks and L. van Vliet, "Resolution enhancement of a sequence of undersampled shifted images", Proc. 5th Annual Conference of the Advanced School for Computing and Imaging, pp. 95-102, June. 1999.

101. R. Vollmerhausen and R. Doggers, Analysis of Sampled Imaging Systems, SPIE Press, Bellingham, pp. 111-138,2000.

102. C. Friedenberg, "Microscan in infrared staring systems", Optical Engineering, 36 (6), pp. 1745-1749, June 1997.

103. D. Lettington and Q. Hong, "Interpolator for infrared images", Optical Engineering 33 (3), pp. 725-729, March 1994.

104. Y. Gao and S. Reeves, "Optimal dithering of focal plane arrays in passive millimeter-wave imaging", Optical Engineering, 40 (10), pp. 2179-2187, Oct. 2001.

105. E. Friedman and J. Miller, Photonics Rules of Thumb, McGraw-Hill, New York, pp. 15,2004.

106. Identification of military targets and simple laboratory test patterns in band-limited noise", Piet Bijl, Maarten A. Hogervorst &Alexander Toet, TNO Human Factors, Proc. Of SPIE Vol.5407, 14 15 Aprel 2004, Orlando, Florida, USA, pp. 104-115.

107. Красильников H.H. Теория передачи и восприятия изображений. М.: Радио и связь, 1986. 248 с.

108. Барабанщиков В.Ф. Черняк Б.М. Информационно-измерительная система теплового контроля изотермических вагонов. Дефектоскопия, АН СССР, № 10, 1978. С. 56-62;

109. Барабанщиков В.Ф. Черняк Б.М. Инструментальный метод контроля состояния теплоизоляции изотермических вагонов. Вестник ВНИИЖТ, №2, 1982. С. 35-39.

110. А.К. Цыцулин. Телевидение и космос. Учебное пособие, СПб, 2003.

111. В.П. Зайцев. Выбор параметров фотоприемника и объектива малокадровой телевизионной системы на ПЗС. Техника средств связи. Научно-технический сборник. Серия техника телевидения. Вып. 1 (39). М.: 1983. С. 20-28.

112. С.А. Иванов, В.П.Зайцев и А.К. Цыцулин. Определение интервала дискретизации в ПЗС с учетом внешнего шума. Техника средств связи. Научно-технический сборник. Серия техника телевидения. Вып. 1 (39). М.: 1983. С. 29-35.

113. A.M. Дахин и О.И. Фантиков. Влияние дискретности фотоприемника на пороговую чувствительность телевизионной системы обнаружения. Техника средств связи. Научно-технический сборник. Серия техника телевидения. Вып. 1 (39). М.: 1983. С. 50-59.

114. Овсюк В.Н., Курышев Г.Л. и др. Матричные фотоприёмные устройства ИК диапазона. Новосибирск: Наука, 2001. 376 с.

115. Michael Assel, Jochen Barth, Step scan method to enlarge the field-of-view of focal plane array cameras by continuously rotating optical elements, Proc. of SPIE Vol. 5406, 2004. pp. 755-764.

116. John Lester Miller, Dr. John Wiltse, Benefits of microscan for staring infrared imagers, Proc. of SPIE Vol. 5407, 2004. pp. 127-138.

117. Jose Manuel Lopez-Alonso, Javier Alda, Characterization of phase artifacts for focal plane arrays, Proc. of SPIE Vol. 5407, 2004. pp. 150-159.

118. Chen Sihai, Hemiao, Yi Xinjian, Zhang Xinyu, Research on Fabrication of Microlenses Array with Long Focus for Improving Responsivity of PtSi IR Detector Array Device, Proc. of SPIE Vol. 4130, 2000. pp. 283-288.

119. Аксютов Л.Н. Методика оценки качества изображений в оптических информационных системах. Автометрия, №2, 1995. С. 21-28.

120. Richard Н. Vollmerhausen, Edde Jacobs, Ronald G. Driggers, New metrics for predicting target acquisition performance, Optical Engineering, 43 (11), November 2004, pp. 2806-2818.

121. Завалишина Д.Н., Ломов Б.Ф., Рубахин В.Ф. Уровни и этапы принятия решения // Проблемы принятия решения / Под ред. Анохина П.К., Руба-хина В.Ф. М.: Наука, 1976. С. 16-32.

122. Травникова Н.Ц. Эффективность визуального поиска. М.: Машиностроение, 1965. 128 с.

123. Павлов Н.И., Воронин Ю.М. Вероятность обнаружения объектов на экране монитора оптико-электронной системы наблюдения // Оптический журнал. 1994. №7. С. 3-7.

124. Данилова М.В., Бондарко В.М. Влияние контекста на выполнение зрительной задачи различения ориентации прямоугольных решеток на пределе разрешения зрительной системы // Сенсорные системы. 2002. Т. 16, №2. С. 100-109.

125. X. Wang et al., Relationship between microscanned image quality and fill factor of detectors, Applied Optics, v.44, № 21, 2005, pp. 4470-4474.

126. В.Б. Березин, B.B. Березин, A.B. Соколов, A.K. Цыцулин. Адаптивное считывание изображения в астрономической системе на матричном приборе с зарядовой связью. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, №4, 2004. С. 36-45.