Кремис Игорь Иванович – к.т.н, Филиал ИФП СО РАН.
Гладков Роман Александрович – м.н.с, Филиал ИФП СО РАН.
Дата публикации 12.01.2022
Использование тепловизионных приборов в составе изделий специальной техники определяет их функционирование в условиях низких контрастов инфракрасного излучения объектов, т.е. на пределе температурной разрешающей способности прибора. В этих условиях, одним из основных факторов, определяющих качество тепловизионного изображения, является используемый метод коррекции неоднородности и дефектов (сигнал дефектных фотоэлементов) матричных и линейчатых фотоприемных устройств.
Наиболее простым и распространенным методом коррекции неоднородности в ТВК является метод по двум точкам, заключающийся в использовании двух опорных источников, согласованных со сценой наблюдения. Этот метод подразумевает использование кусочно-линейной аппроксимации во всем диапазоне температур, соответствующие коэффициенты записываются однократно, при калибровке прибора. Проблема использования двухточечной схемы состоит в допущении применения линейной модели к нелинейной зависимости поток-сигнал фотоэлементов. В этой связи, даже при условии согласованности эталонов со сценой данная схема коррекции формирует ошибку выравнивания – остаточную неоднородность чувствительности (ОНЧ), проявляющуюся на участках изображения малого контраста в виде «вуали» (для матричных ФПУ (МФПУ)) или «полос» (для линейчатых ФПУ (ЛФПУ)). Кроме того, имеет место дрейф сигналов фотодиодов КРТ, в результате чего может измениться кривая чувствительности и в процесс коррекции вносится дополнительная ошибка.
Указанные причины зачастую не позволяют выполнить успешную коррекцию, остаточная неоднородность остается на изображении (рисунок 1,).
Для решения проблемы остаточной неоднородности в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ» был разработан комплекс решений, позволяющих повысить точность коррекции тепловизионных изображений.
Основная идея предложенных решений – использование систем сканирования сцены наблюдения для получения эффективных методов коррекции неоднородности чувствительности.
Разработанный комплекс решений состоит из:
- метода коррекции неоднородности в ТВК на базе линейчатых фотоприемных устройств с использованием частотного разложения и горизонтального сканирования сцены;
- метода коррекции неоднородности в ТВК на базе матричных фотоприемных устройств с использованием частотного разложения и микросканирования;
- устройства микросканирования (микросканер) проекции изображения для тепловизионных каналов на базе матричных фотоприемных устройств.
Предлагаемые методы коррекции используются для тепловизоров осуществляющих обработку тепловизионного изображения посредством выполнения операций, реализующих алгоритм двухточечной коррекции:
U=(I-F)K;
где: U – сигнал после коррекции; I – сигнал с фотоприемника; K – коэффициенты неоднородности по чувствительности фотоэлемента, рассчитываются однократно при калибровке прибора; F – сигнал фона, для получения сигнала используется опорный источник излучения в виде поверхности с равномерным распределением температуры.
Методы коррекции остаточной неоднородности (ОНЧ) основаны на понимании того, что остаточная неоднородность является аддитивной помехой или иначе – ошибкой выравнивания, которую необходимо компенсировать в сигнале для получения качественного изображения.
Так, для изображения формируемого в ТВК сигнал после коррекции по представляется суммой:
U=u+δ;
где δ – остаточная неоднородность; u – качественное изображение.
Ослабление действия помех достигается посредством использования системы фильтров. Соответствующая функциональная схема фильтрации помехи показана на рисунке 2.
Схема, приведенная на рисунке 2 функционирует следующим образом. Исходное изображение (скорректированное по двум точкам, рисунок 3, а) разделяется на две составляющие – низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ). В области ВЧ выполняется накопление ОНЧ вдоль строк. Накопленный сигнал вычитается из исходного ВЧ потока. «Очищенный» поток ВЧ суммируется с потоком НЧ – таким образом формируется результат фильтрации – изображение, из которого удалены полосы неоднородности (рисунок 3, б).
Для изображений, формируемых ТВК на базе МФПУ фильтрация выполняется, аналогично схеме, показанной на рисунке 1, с учетом того, что помеха остаточной неоднородности формируется не вдоль строк изображения, а по кадрам – во времени.
Функциональная схема фильтрации помехи в ТВК на базе МФПУ показана на рисунке 4:
Схема, показанная на рисунке 4 функционирует следующим образом. Исходное изображение (кадры микросканов сцены, скорректированные по двум точкам, рисунок 5, а) разделяется на две составляющие – низкочастотную и высокочастотную. В области ВЧ выполняется накопление ОНЧ во времени – по кадрам. При микросканировании происходит движение сцены, ВЧ, составляющая сигнала усредняется, неподвижная ОНЧ суммируется. Накопленный сигнал вычитается из исходного ВЧ потока. Таким образом из ВЧ потока вычитается только сигнал ОНЧ и дефекты. «Очищенный» поток ВЧ суммируется с потоком НЧ после чего микросканы сортируются в кадр большего формата – выполняется увеличение разрешения и формируется результат фильтрации – изображение, из которого удалена «вуаль» (рисунок 5, б) с форматом 640×512 элементов.
Для обеспечения функционирования метода фильтрации представленного на рисунке 4 в Филиале ИФП СО РАН «КТИПМ» был разработан микросканер на базе синхронного двигателя https://ktipm.isp.nsc.ru/product/ustroystvo_microskanir/, позволяющий получить необходимую величину и траекторию движения сцены по квадрату.
Микросканер использует одиночную вращающуюся плоскопараллельную пластинку из Ge толщиной 2 мм для смещения проекции изображения и представляет собой синхронный бесколлекторный двигатель с внешним ротором круглой формы, в центре которого расположена сквозная полость для размещения пластинки и элементов, служащих для изменения её наклона.
Ротор микросканера закреплен на подшипнике, что позволяет осуществлять его вращение относительно неподвижного фотоприёмника. Диаметры подшипника и пластинки рассчитаны с учетом требования на исключение эффекта виньетирования. При этом диаметр подшипника превышает диаметр пластинки на величину, достаточную для выполнения процедуры юстировки пластины.
В конструкции микросканера предусмотрены элементы, посредством которых меняется и фиксируется наклон плоскопараллельной пластинки под необходимым углом, относительно главной оптической оси объектива.
В штатном режиме частота вращения ротора микросканера, составила 3000 об/мин, что соответствует частоте смены микросканов равной 200 Гц.
Диапазон смещения проекции изображения: от 0 до 150 мкм; погрешность позиционирования: 4 мкм; вес: 220 г; потребляемая мощность: 8 Вт.
Микросканер успешно выдержал климатические и вибрационные испытания: в диапазоне температур от -50ºС до +50ºС; воздействиие синусоидальной вибрации с ускорением 6G в полосе частотой 5-500 Гц; воздействие удара длительностью 7×10-3 сек. с ускорением 75G.
На рисунке 7 показан тепловизионный канал, использующий разработанные методы коррекции и микросканер. В канале используется ФПУ производства ИФП СО РАН со следующими характеристиками: диапазон 8–12 мкм; формат 320×256; шаг фоточувствительных элементов 30 мкм; газокриогенная машина КВО.0751.000 производства АО «НТК» Криогенная техника», г. Омск. Микросканер настроен на сдвиг проекции в 75 мкм. Тепловизионное изображение, формируемое каналом показано на рисунке 5 б.
По результатам работы получено комплексное решение проблемы получения качественного изображения в ТВК на базе фотоприемников отечественного производства. Разработанные методы коррекции остаточной неоднородности в тепловизорах на базе линейчатых и матричных тепловизоров показали свою эффективность – применение разработанных методов коррекции позволяет существенно повысить качество тепловизионного изображения в ТВК на базе отечественных ФПУ при улучшении параметров эквивалентной шуму разности температур и минимальной разрешаемой разности температур.
Публикации:
1. Коррекция остаточной неоднородности изображения в тепловизорах второго поколения на основе частотного разложения. https://disk.yandex.ru/i/1G_oGK-DMp_x0Q
2. Фильтрация остаточной неоднородности и дефектов изображения в тепловизорах с использованием микросканирования. https://disk.yandex.ru/i/xjRzXNhBzNl-Qw
3. Устройства микросканирования для тепловизоров диапазона 8–12 мкм на основе вращающихся пластин из Ge. https://disk.yandex.ru/i/f193Ikw4yx9LzQ
4. Системы микросканирования для ТВП третьего поколения. https://disk.yandex.ru/i/WKCl4kHzxbbjTg
5. Показатель коррекции неоднородности как критерий качества фотоприемных устройств ИК-диапазона. https://disk.yandex.ru/i/SfJ6T-0OXyzcPQ
6. Исследование метода коррекции остаточной неоднородности тепловизионного канала с микросканированием. https://disk.yandex.ru/i/ClFpaGeQRkJFQQ