Тепловизоры

Пример вид элемента и матрицы представлен на рисунке. Излучение падает на микромостик, изготовленный  из полупроводникового матриала. Этот мостик нагревается, его сопротивление меняется и изменяет ток в цепи. Мостик приподнят над поверхностью кристалла, на котором размещены элементы электронной схемы считывания ( в том числе мультиплексор –схема управляющая порядком считывания сигнала из ячеек) и обработки сигналов. Внешняя поверхность мостика покрыта поглощающим слоем. Матрицу помещают в вакуумированный корпус. Материал окна  пропускает  ИК излучение  в диапазоне 8-14 мк.

 

Матрица может быть установлена  на термоэлектрическую батарею для стабилизации рабочей температуры.

 

Основными характеристиками микроболометрических матриц являются:

 

1. число элементов m х n , определяет четкость изображения. Лучшие 2048 х 2048, гражданского назначения 648 х 512;
2. размер одного элемента, определяет предельное пространственное  разрешение. Сейчас 25 мк, но уже выпускаются 17 мк, что соответствует D:f = 1.45: 1 ;
3. эквивалентная шуму разность температур ΔT _n – минимальная разность температур а.ч.т., которая может быть обнаружена приемником  при заданном D:f (обычно 1:1) , в этом случае изменение сигнала равно уровню шумов. Характеризует предельную чувствительность т.е. уровень шумов, который определяют температурное разрешение матрицы. Одиночный элемент матрицы имеет ΔT _n  порядка 15 мК. При термостабилизации и коррекции неоднородности при выходе на рабочую температуру подложки матрицы эта величина составляет  70 - 80 мК;
4. максимальная частота кадров, характеризует возможность наблюдать движущиеся объекты. От 7 до 60 кадров в сек.

 

Сопротивление полупроводникового болометра, первоначально находившегося при температуре Т и подогретого до температуры T+DТ падающим излучением, определяется выражением :

 

R(T+DТ) = R_∞exp[ΔЕ/k(T+DТ)] ≈

 R_∞exp[ΔЕ/kT] + R_∞(ΔT/T)( ΔЕ/kТ) exp[ΔЕ/kT] + В (ΔT/Т) ²=

 

= R(T)+ ΔR(ΔT)

 

и меняется с изменением температуры по нелинейному закону.

R_∞ – константа, соответствующая виртуальному сопротивлению при бесконечной температуре (практически значение при Т >> ΔЕ/k), Ом;

ΔЕ – ширина запрещённой зоны полупроводника;

 K – постоянная Больцмана (1,38 × 10^-23Дж/К);

 T – абсолютная температура в градусах Кельвина;

В – -коэффициент при квадратичном члене.

Отметим, что относительное  изменение сопротивления полупроводникового болометра под воздействием теплового  излучения пропорционально относительному изменению температуры ΔR/R ~ ΔT/T и составляет всего 0,03% при изменении температуры болометра на 0,1 К (при комнатной температуре). Поэтому при формировании сигнала следует убрать фоновую составляющую пропорциональную R(T).

Для этой цели включение болометра осуществляется по мостовой схеме, в которую включается неосвещаемый микроболометр RB.  Микроболометр RA – сигнальный. Он соответствует освещаемому чувствительному элементу матрицы.  В представленной ниже схеме токи через RA и RB текут навстречу друг другу (разные типы n и р каналов полевых транзисторов) и при подборе управляющих напряжений на затворах транзисторов ток зарядки конденсатора  и выходной сигнал Uout будут пропорциональны изменению температуры ΔT, вызванному облучением RA.

 

Но параметры  отдельных  элементов матрицы отличаются друг от друга, поэтому сигнал на выходе Uout – неравномерность соответствует выражению:

 

Uout = Uadd + (1 + K1) I₀ (ΔT/T) tl/С +(1+К2)В I₀ (ΔT/T)² tl/С ,

 

в котором I₀ – номинальное значение тока, текущего через RA, t1- время накопления, Uadd – нескомпенсированный фон, К1 – относительная неравномерность чувствительности, В – коэффициент нелинейности, К2 – относительная неравномерность квадратичной нелинейности.

Это означает, что при  равномерном освещении матрицы различные пиксели сформируют различные сигналы,  и  кадр будет выглядеть пестрым. Пестроту вызывают и тепловые шумы отдельных микроболометров, но их уровень значительно ниже, т.е.  отдельный микроболометр шумит меньше, чем матрица. Таким образом, если не снизить геометрический шум (неоднородность) до уровня теплового, то качество изображения сканирующего тепловизора будет лучше, чем у матричного. 

Проще всего  устранить неоднородность фонового сигнала Uadd. Для этого следует установить постоянной температуру подложки матрицы и равномерно осветить ее, после чего  привести все значения  Uout к одной величине, изменяя напряжения смещения  на затворах транзисторов. Описанная операция называется одноточечной калибровкой. Равномерность освещения достигают,  установив перед матрицей достаточно массивный металлический экран (шторку). Благодаря высокой теплопроводности металла, его поверхность имеет постоянные температуру и излучательную способность.  Постоянство температуры подложки поддерживают, охлаждая приемник термоэлектрической батареей.

 

Но одноточечная калибровка не устраняет неоднородность полностью. Если  неравномерность чувствительности К1 = 1.5%, а температура наблюдаемого источника излучения изменилась на 10 К, то кажущееся различие температур составит 0.15 К. (См. рисунок ниже). Если уровень тепловых шумов эквивалентен изменению температуры источника на ΔT_n= 0.08 К, (нагрев одного элемента на 0.08 К можно обнаружить  на фоне шумов), то неоднородность  будет заметна в изображении. Чем сильнее температура объекта отличается от температуры калибровочного источника (шторки), тем сильнее будут заметны шумы на фоне этих объектов.

 

Более точная коррекция  требует определения всех трех величин: Uadd,   К1 и К2. Для этого нужно измерить сигналы на выходе  каждого элемента при трех температурах источника излучения. Такую калибровку называют трехточечной. Если пренебречь нелинейностью, то можно ограничиться двухточечной калибровкой. Ее результат представлен на рисунках. Для учета результатов этих типов калибровок необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, извлечь из памяти поправки, вычислить исправленное  значение выходных сигналов.  Такие калибровки выполняются изготовителем, а соответствующие коэффициенты и алгоритм учета поправок хранятся в памяти. На рисунках представлены зависимости выходного сигнала от температуры излучающего тела для двух пикселей и результаты калибровки этих пикселей.

 

Для реализации двух и трехточечной калибровки необходимо дополнить матрицу дополнительными блоками: цифроаналоговым преобразователем, блоком памяти, сумматором и умножителем. Точность АЦП должна соответствовать 14-16 разрядам.  Скорость описанной системы обработки должна быть достаточно высокой. Существует несколько специально разработанных алгоритмов двух- и трехточечной коррекции неоднородностей. Для окончательного формирования качественного изображения в электронных схемах камер часто применяют цифровые сигнальные процессоры, способные выполнить до 10¹⁰ операций с плавающей точкой в секунду  и процессоры формирования видеоизображения в нужном формате.

Можно ли обойтись без термоэлектрической батареи, которая  увеличивает время выхода на рабочий  режим,  стоимость и энергопотребление?

Можно в трех случаях:

1) проводить  одноточечную калибровку неоднократно  в течение сеанса наблюдений;

2) использовать  двух либо трехточечную систему  коррекции неоднородности;

3) изготовить  матрицу так, чтобы различия  элементов были обусловлены только  различиям сопротивлений микроболометров.

 

Первый способ применяется в недорогих наблюдательных приборах, при этом  уровень геометрического  шума будет выше, чем при термостабилизации  с калибровкой вскоре после включения  прибора. Второй реализован лучшим производителем ванадиевых элементов FLIR, который выпускает тепловизионный модуль без термостабилизации, включающий систему коррекции неоднородности (предельная чувствительность ΔT£ 50 мК).  Третий способ может быть реализован на кремниевых матрицах (нелинейность у таких приборов мала). Лучший производитель таких микроболометров (Ulis) стремится снизить неоднородность чувствительности (сейчас 0.4 %) и ее зависимость от температуры подложки  до такого уровня, что термостабилизация не понадобится. 

 

 

Разновидности объективов тепловизоров. Оптические материалы для средней ИК-области

 

Объективы тепловизоров бывают линзовыми и зеркальными.

Зеркальные системы  имеют большие аберрации и  либо используются в приборах низкого  разрешения, либо дополняются линзовыми компенсаторами. Зеркальные и зеркально-линзовые  системы применяют в длиннофокусных светосильных стационарных приборах с большими  входными зрачками (более 200  мм) преимущественно военного назначения.

Аберрации линзовых объективов ниже, чем у зеркальных. Проблемой для рассматриваемого диапазона является прозрачность материалов линз. Выбор материалов сравнительно небольшой.

Материалами, пригодными для изготовления линз в области 7-14 мк являются: KBr, NaCl, KCl – влагопоглощающие, ZnS , Ge, GaAs, ZnSe (по материалам http://www.optotl.ru). Из них наиболее распространенным является Ge. Линзы из него не нуждаются в ахроматизации, поскольку показатель преломления от длины волны зависит незначительно. ZnS  значительно мягче, чем Ge, но тверже, чем ZnSе. ZnSе и ZnS выдерживают более высокие температуры, чем Ge. В силу их мягкости,  качество обработки поверхностей будет хуже, чем у германия, но это единственные материалы, которые выдержат сильный нагрев входных окон и обтекателей тепловизоров, установленных на самолетах и ракетах. GaAs имеет почти такую же твердость, что и германий, но высокий хроматизм. Поэтому линзы из него используют с лазерным излучением.

 В результате получается, что по твердости (качеству  поверхности) и отсутствию хроматизма наиболее подходящим материалом для объективов тепловизоров будет германий. Высокое качество изображения обеспечивают за счет асферических поверхностей. Показатель преломления Ge в ИК области около 4, поэтому необходимо просветление. Материал хрупкий и непрозрачный в видимой области.  Цена за кг превышает 1000 $.

Пропускание пластмасс  в диапазоне 8-14 мк превышает 50% при  толщине не более 0.4 мм (http://www.fresneltech.com/materials.html#polyir ). Это означает. что из них можно изготовить подложки для фильтров, но не линзы. Даже линзы Френеля из этих материалов  получить не удастся.

 

Обобщенные  и частные критерии качества тепловизоров.

Контроль минимальной  разрешаемой разности температур

 

Частные критерии качества характеризуют возможности отдельных  узлов прибора наблюдения.

Например, разрешающая  способность N либо диаметр кружка рассеяния объектива d_кр= 1/(2N). Они характеризуют качество изображения, создаваемого объективом. 

Размеры элемента приемника d также характеризуют качество изображения, которое передать приемник.

Но качество изображения, даваемого тепловизором, будет зависеть не только от d, d_кр, но и от уровня шумов и инерционности приемника, системы обработки сигнала, характеристик изображаемой цели, характера зрительного восприятия,  состояния атмосферы и т.д.  Обратите внимание, что человек –наблюдатель является составной частью тепловизора. Именно его возможности различать объект на фоне шумов приводят к увеличению отно

Обобщенные критерии характеризуют качество прибора  в целом.

Они вводятся  на основе представления о том, что для  различения цели на фоне необходимо, чтобы  воспринимаемое зрительным аппаратом  отношение сигнал/шум m_восп  в рассматриваемом изображении было больше порогового m_пор        для данных условий наблюдения:

m_восп ³ m_пор .

 

Обратите внимание, что  человек – наблюдатель является составной частью тепловизора. Именно его возможности различать объект на фоне шумов приводят к увеличению m_восп  по сравнению с отношением сигнал/шум, обеспечиваемым собственно аппаратурой.

 

  Для тепловизоров наиболее распространенным  критерием является минимальная разрешаемая разность температур DТ_р. Это разность температур штрихов миры и фона, при которой воспринимаемое глазом  отношение  сигнал/шум m_восп равно пороговому значению m_пор. Следует отметить, что при этом оговариваются температура фона, ширина и вид штриха миры, ее дальность, состояние атмосферы.

В реальной обстановке наблюдатель  рассматривает объекты сложной  формы, принадлежащие к различным классам. Он может воспринимать объекты произвольного вида с определенным уровнем видения. Наблюдатель может: определить ориентацию объекта; различить объект (т.е. дифференцировать объект по принадлежности к классу: машина, танк, трактор); идентифицировать (опознать) его (т.е. дифференцировать объект по типу внутри класса, например, различить танки различных типов) и т.д. Можно ввести соответствующие обобщенные критерии.

 Например, в описании наблюдательных тепловизоров можно встретить дальность обнаружения человека. Это расстояние, на котором наблюдатель отличает человека от фона (различает пятно). При этом предполагается, что перепад температур между человеком и фоном составляет 2 К, габариты человека 2 х 0.5 м, человек излучает так же, как и а.ч.т., но с коэффициентом излучения 0.3,  метеорологическая дальность видимости 10 км.

Характеристики изображения  в реальных условиях можно связать с теоретически оцениваемыми характеристиками изображения штриховой миры с помощью критериев Джонсона (1958 г.).