Методы повышения технических характеристик тепловизоров

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТЕПЛОВИЗОРОВ

А.Н. Чиванов

В данной работе рассматриваются вопросы повышения технических характеристик тепловизоров за счет анализа изменения относительного расположения фоточувствительных элементов (ФЧЭ) различной топологии в приемниках оптического излучения (ПОИ) и оптико-механической сканирующей системе (ОМСС).

В настоящее время за рубежом наиболее распространены тепловизионные приборы (ТВП), разработка которых проводилась по национальным программам в период 1970-1985 гг. [1]: Common Module (США) - 1972 г.; SMT (Франция) - 1982 г.; TICM-1, TICM-2 (Англия) - 1982 г. Схемотехнические принципы, положенные в основу каждой из программ, определялись достигнутым технологическим уровнем той или иной страны, что определило в дальнейшем два основных направления развития тепловизи-онной техники.

Первое направление привело к тому, что с начала 90-х годов за рубежом начались разработки ТВП на «сверхдлинных» линейных ПОИ [2]. Спецификой этих разработок являются: простая оптическая система (ОС); ПОИ с числом ФЧЭ около 1000 и более; интегрированная с ПОИ первичная обработка сигнала, находящаяся в охлаждаемой зоне криостата. Эти решения делают ТВП более «электронным», чем традиционные «оптические», до сих пор разрабатываемые в России, о которых будет сказано ниже. Разработка подобных ТВП по силам только специализированным предприятиям электронной техники.

В конце 80-х - начале 90-х годов для армии США началась разработка ТВП второго поколения, разрешающая способность которых должна быть повышена на 5060%. Достигается это за счет ПОИ на основе CdHgTe, содержащих 4x480 ФЧЭ. Новые ТВП предназначены, прежде всего, для авиации и противоракетной обороны [1]: комплекс MUSTERS для обнаружения пусков баллистических ракет; комплекс EOSS для оснащения новых вертолетов РАН-66 «Команч»; комплекс Falcon Knight, заменяющий наиболее эффективный в настоящее время в мире прицельно-навигационный комплекс LANTIRN.

Подобные работы проводятся и в Европе. Франция, Англия и Германия совместно выполняют программу создания нового поколения ТВП SYNERGI. Система строится на ПОИ формата 2x288 ФЧЭ. Основная задача проекта - разработка комплекта тепло-визионных модулей, которые будут использоваться в качестве строительного материала для создания ТВП различной конфигурации, позволяющих размещать их на различных объектах [3, 4]. Проект рассчитан на использование его результатов в течение следующих 15-20 лет. Информация о создании первых реализаций программы - вертолетных комплексов Condor-1 и Condor-2 - появилась в России в начале 1991 г.

Ко второму направлению развития тепловизионной техники можно отнести все разработки сканирующих ТВП, проводившиеся за рубежом (а также в России), для которых характерны: сложная эффективная ОС (сканирующая система); сравнительно малоэлементный ПОИ (60, 120 и 180 ФЧЭ в ТВП США; 44, 96 и 128 ФЧЭ в ТВП Франции - сканирующие матрицы; ПОИ типа SPRITE, содержащий 4 или 8 ФЧЭ, в ТВП Англии). ТВП с такими признаками («оптические» ТВП) достаточно просто изготавливаются на предприятиях, специализирующихся на создании оптико-механических приборов, так как именно здесь легко реализуются сложные ОС и имеется возможность создания простой электронной схемы обработки видеосигнала для малоэлементного ПОИ. Характерными особенностями такого ТВП являются развертывающее устройство (РУ), обеспечивающее зонное сканирование, и ПОИ, выполненный в виде малоформат-

ной матрицы, работающей в режиме сканирования, с последующим цифровым преобразованием сигналов к телевизионному стандарту.

Унифицированные ТВП подвергались в дальнейшем неоднократной модернизации. В США (первое направление) были проведены, по крайней мере, две серьезные модернизации, направленные на повышение качественных характеристик ТВП. Во Франции (второе направление) по мере совершенствования ПОИ проводились работы по снижению числа ФЧЭ при сохранении заданных характеристик ТВП (такие приборы, как «Castor», «Athos» и др., где вместо первоначальных 55 ФЧЭ используют 44), что, безусловно, является большим достижением промышленного производства [1]. Важным является тот факт, что, несмотря на массированную рекламу ТВП с матричными ПОИ со стороны зарубежных фирм (а также и ряда российских организаций), тем не менее, планируется оснащение армий зарубежных стран сканирующими приборами

[5].

Таким образом, в современных зарубежных разработках наблюдается три направления создания сканирующих ТВП на базе фотоэлектрических ПОИ: на ПОИ типа SPRITE (1-8 ФЧЭ), на малоэлементных ПОИ (16-128 ФЧЭ) и на многоэлементных ПОИ (более 1000 ФЧЭ).

Проведенные габаритно-энергетические расчеты и натурные испытания различных типов тепловизионной аппаратуры показали возможность достижения соизмеримых результатов для основных параметров ТВП (по дальности действия, углам обзора, числу элементов разложения, т.е. «формату кадра», и, соответственно, качеству картины) при использовании различной топологии данного типа ПОИ [5].

Успех может быть достигнут за счет тех или иных схемотехнических решений. Однако тенденция здесь очевидна: при реализации второго направления объем электроники меньше, чем в первом случае, за счет использования минимального числа ФЧЭ ПОИ, соответствующего упрощения электронного канала (в основном, его аналоговой части) и повышения эффективности РУ; схемотехническое решение оптического канала при реализации первого направления сложнее.

Учитывая тот факт, что в настоящее время уровень оптических технологий в России значительно выше уровня электроники, следует, видимо, отдать предпочтение первому варианту построения ТВП.

При практическом выборе той или иной схемы построения одним из определяющих факторов эффективности является жесткая структура взаимосвязей узлов ОС, РУ, ПОИ и электронного тракта преобразования видеосигнала. При этом выбор ПОИ и, в частности, его топологии определяет распределение функциональной нагрузки по основным функциональным узлам ТВП, что, в конечном счете, приводит к совершенно разным требованиям к элементной базе электронного тракта, материалоемкости входной ОС и, соответственно, ценообразованию изделия [6].

На практике понятие "выбор технических вариантов" означает поиск компромисса между принципиальным техническим решением функциональной задачи и реализуемым на существующем технологическом уровне серийного производства образцом модуля ТВП или его узла или блока. Основные предпосылки при выборе компромиссных решений состоят в том, что параметры модулей ТВП находятся во взаимной связи явным и неявным образом.

Например, количество ФЧЭ в ПОИ связано с достижимой величиной их максимальной чувствительности и величиной разброса чувствительности ФЧЭ относительно среднего значения, что напрямую связано с чувствительностью ТВП. Одновременно количество ФЧЭ определяет количество зон сканирования, т.е. основной параметр РУ, и, как следствие, время минимально короткого импульса, ширину полосы пропускания, а в итоге - чувствительность ТВП и его габариты. Кроме того, от количества ФЧЭ зависит требуемая хладопроизводительность микрокриогенной системы, а следовательно,

масса, габариты и энергопотребление ТВП. Вследствие этого у разработчика ТВП существует определенная свобода в выборе вариантов построения, позволяющая несколько компенсировать недостаточно высокий технологический уровень, например, ПОИ, за счет увеличения функциональной нагрузки и усложнения конструкции РУ. Таким образом, выбор разработчиком технического решения конкретного узла или блока оказывается прямым образом включенным в процедуру выбора базовой технологии серийного производства модулей ТВП и, в свою очередь, служит инструментом корректировки при оптимизации базовой технологии серийного производства модульных ТВП.

Методически анализ ТВП с ОМСС основывается на моделировании процесса сканирования различных ОМСС с ПОИ, топология которого может быть различна в зависимости от числа ФЧЭ. При этом поиск эффективной пары "ПОИ - ОМСС" состоит из следующих этапов.

1. Расчет основных параметров зеркальных сканирующих систем, что позволяет проводить анализ растровой структуры на основе закона сканирования и уравнения ПОИ и определять: допуски геометрических искажений, зависящие, в частности, от выбора осей качания и углов обзора; габаритные соотношения элементов системы, согласование входных и выходных зрачков, требования к объективу, определяемые спецификой применяемого сканера, линейными размерами (масштабом) и топологией ФЧЭ выбранного (заданного) ПОИ; изменение линейного разрешения по полю обзора, интегральной дисторсии (от оси до крайних точек, связанных по размеру с центральной) и распределения освещенности по ФЧЭ как функций угла поля зрения.

2. Расчет спектра видеосигнала, что позволяет исследовать нарушение подобия между объектом и его изображением, возникающее из-за несоответствия «оптического» и «электронного» растра, а также растра системы отображения. Это дает возможность вводить коррекцию переналожения или пропуска строк и распределения освещенности ФЧЭ в строчном и кадровом направлении.

3. Расчет отношения сигнал/шум в изображении с учетом величины дисперсии флуктуаций фонового излучения в качестве уровня физических ограничений чувствительности ПОИ, а также расчет уровней чувствительности и разрешающей способности, которые можно считать рациональными для применения на практике с точки зрения платы за стремление к предельному увеличению параметров эффективности функционирования отдельных узлов ТВП. Резерв в повышении эффективности ТВП состоит в достижении порога чувствительности ПОИ, ограниченного фоновым излучением при использовании охлаждаемых апертурных диафрагм и рациональном выборе рабочего спектрального диапазона, что позволяет достичь предельных значений обнаружитель-ной способности. Необходимая рабочая полоса пропускания и, как следствие, требования по быстродействию к электронному тракту, его архитектуре и программе функционирования обусловлены длительностью просмотра пикселя, определяемой циклограммой прохождения сигналов и соответствующей угловому размеру пикселя.

Моделирование процесса сканирования позволило провести анализ вариантов относительного расположения ФЧЭ различной топологии и ОМСС при переборе различных ОМСС, выполненных на базе одиночного зеркала, двух зеркал и двугранного зеркала, осуществляющих строчную и кадровую развертку. Анализ показал наличие двух типов ОМСС.

Первый тип ОМСС не обладает зависимостью расхождения траекторий строк, последовательно сканирующих ФЧЭ, от углов поля зрения, а следовательно, и от топологии ФЧЭ.

Второй тип ОМСС обладает этой зависимостью. При этом траектории проекций отличаются тем сильней, чем дальше ФЧЭ расположены друг от друга и от оптической оси системы. При превышении предела соответствия размеров, топологии ФЧЭ и углов

поля зрения данного типа ОМСС ухудшается качество изображения за счет следующих факторов: появления муара из-за переналожения строк; появления увеличивающегося и изменяющегося по строке квазисимметричного фазового набега; появления расхождения или переналожения зон сканирования. Кроме того, возможно появление искажений формы изображения объекта за счет несоответствия законов сканирования ОМСС (датчика) и системы обработки информации.

Следует отметить, что приведение сигналов с отдельных элементов (пикселей) к одной фазе возможно за счет применения переменной временной задержки по полю или за счет нелинейного считывания изображения, например, в блок цифровой обработки. Но практически, исходя из требований имеющейся элементной базы электроники для цифровой обработки сигналов, которую можно реально применять при промышленном производстве ТВП, сдвиг фазы между первой и последующими линейками ПОИ должен быть кратным числу пикселей в строке для соблюдения соответствия угловых координат «оптического растра» временным координатам «электронного растра».

Таким образом, для улучшения технических характеристик ТВП следует учитывать следующие моменты.

1. В связи с тем, что, при условии применения идеальной ОС, угловое разрешение системы 5 определяется только значениями площади квадратного ФЧЭ а2 и относительного фокусного расстояния f, т.е. 5 = a/f, а поле системы определяется длиной линейки M: ш =Мх5 (при использовании ФЧЭ в виде сканирующей матрицы - ее диагональю), и учитывая, что для уменьшения фоновой засветки ПОИ, работающих в режиме ограничения флуктуациями фотонов фона (режим ОФ или BLIP), в конструкцию ПОИ устанавливают охлаждаемую диафрагму, которая располагается непосредственно перед ФЧЭ, а ее эффективность зависит от места установки, поскольку имеется несколько факторов, в том числе системных: смещение зрачка, теплопритоки, масса и габариты ОС и др.

2. Под оптимальной стыковкой ОС с ПОИ подразумевается конструкция, состоящая из ОМСС и ПОИ, содержащая криостат ПОИ, в котором охлаждаемая апертурная диафрагма по форме, размерам и местоположению совмещена с выходным зрачком объектива ПОИ ("первичной" оптики) при отсутствии вобуляции выходного зрачка (аберрации в зрачках). Это означает, что на практике диафрагма должна иметь форму круга.

3. Освещенность по полю изменяется как функция D-cos ш, где D - диаметр входного зрачка объектива ПОИ, и не зависит от расположения зрачка в системе при условии, что этот входной зрачок совмещен с выходным зрачком телескопической насадки (ТН), что для сканирующих систем полностью неосуществимо. Однако необходимо минимизировать аберрации в зрачках, не жертвуя при этом другими параметрами системы. Иначе это неблагоприятно сказывается на массе и габаритах ОС, определяемых, например, диаметром первой линзы или габаритами главного зеркала ТН, и как следствие, на коэффициенте пропускания ОС и показателе материалоемкости, так как при изготовлении линз технологическая норма отношения диаметра линзы к ее толщине равна примерно 10/1.

4. В результате определения граничных соотношений топологии ПОИ и углов поля зрения ОМСС выявляется возможность достижения сканирующими ТВП максимальной чувствительности за счет применения малоформатной сканирующей матрицы при сохранении по полю приемлемого качества изображения.

5. Фокусировка изображения должна осуществляться оптическими элементами входной ОС (в ТН), так как фокусировка, например, перемещением линз объектива ПОИ без одновременной корректировки линейных размеров зон получаемого изображения в узле ТН приведет к несшиванию зон в получаемом кадре (пропуски или переналожение зон). Кроме того, желательно использовать исполнительный механизм и оп-

тические элементы фокусировки и для устранения терморасстраиваемости ОС (дополнительная функциональная нагрузка).

6. При использовании «коротких» линейных ПОИ результат операции по согласованию зрачков входной ОС и объектива ПОИ более эффективен, так как при условии равенства линейных размеров ФЧЭ исправление волнового фронта и коррекцию аберраций в зрачках проще проводить при формообразовании объектива ПОИ, чем во входной ОС, в то время как использование «длинных» линейных ПОИ ведет к необходимости обязательного спецформообразования (асферизация, киноформ) оптических элементов входной ОС, что технологически более сложно.

7. Полевые углы засветки меньше при использовании «коротких» линейных ПОИ по сравнению с «длинными», что способствует созданию малогабаритного криостата ПОИ с охлаждаемой апертурной диафрагмой (при условии ее оптимальной связи с блоком сканирования) с меньшими теплопритоками. Это, в конечном итоге, ведет к снижению требований по холодопроизводительности при фиксированном времени выхода на режим и, как следствие, к уменьшению массы, габаритов и энергопотребления микрокриогенных систем при снижении порога чувствительности за счет снижения флук-туаций фонового потока.

В результате в ГОИ им. С.И. Вавилова разработан ряд развертывающих устройств для линейных ПОИ с числом фоточувствительных элементов 96, 64 и 32, которые обеспечивают формирование тепловизионного изображения с форматом кадра следующего ряда: 576x768, 384x512, 384x256, 192x256.

Литература

1. Моделирование ночного видения: исторические перспективы. James A. Ratches U.S. Army Communications-Electronics Command Research, Development& Engineering Center Night Vision & Electronic Sensors Directorate Ft. Belvoir, VA 22060-5806 Конференция по инфракрасной технике: Проект, Анализы, Моделирование и Испытание, Орландо, Флорида, Апрель 1999г. // SPIE. Vol. 3701. 0277-786X/99.

2. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. 1998. № 6. С. 19-23.

3. P R. Norton. Infrared in the next millennium // SPIE Proc. Vol. 3698 (1992). P. 652-665.

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

5. Гоев А.И. Разработки тепловизионных приборов в ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» // Научно-технический и гуманитарный сборник Международной Академии Контенант. 2002, апрель. С. 7-9.

6. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России. // Оптический журнал. 1997. № 2. С. 18-23.