ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЯ
Полезная модель относится к области полупроводниковых преобразователей изображения, и, в частности, к матричным преобразователям ИК-излучения в видеосигнал, и может быть использована в тепловизионных фотоприемных устройствах (ФПУ), работающих в режиме вещательного стандарта в широком спектральном диапазоне.
В настоящее время для инфракрасных (ИК) ФПУ, применяемых в широком спектральном диапазоне (от 2...5 до 2...28 мкм) используются многоэлементные приемники излучения на основе материалов типа АзВз, HgCdTe (KPT), PbSnTe (COT), легированного мышьяком кремния и др. 1. Общим недостатком таких преобразователей является необходимость использования специальных систем охлаждения фоточувствительной матрицы до ее рабочей температуры (200...4 К в зависимости от материала и области спектральной чувствительности). Необходимость охлаждения матрицы приводит к усложнению конструкции, ухудшению весогабаритных характеристик, энергопотребления и удорожанию ФПУ.
Наиболее близким к заявляемой модели по технической сущности и принципу действия является преобразователь ИК изображения содержащий последовательно включенные матрицу приемников излучения, предусилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой процессор, а также генератор опроса матрицы 2. Данное устройство принято в качестве прототипа предлагаемой полезной модели.
К недостаткам указанного преобразователя относятся пониженное отношение сигнал/шум и, следовательно, ухудшенное значение эквивалентной шуму разности температур для приемников с оптимизированной тепловой развязкой чувствительного элемента от конструктива.
В самом деле, в устройстве-прототипе достигнуты значения тепловой проводимости между чувствительным элементом и конструктивом GT  Вт/К, что приблизительно на порядок хуже теоретического предела Отид, определяемого тепловым излучением с элемента в окружающее пространство 3. Вследствие высокого значения GT прототип имеет пониженную температурную чувствительность и увеличенные температурные шумы, т.е. ухудшенные значения эквивалентной шуму разности температур NETD. Отметим также, что тепловая постоянная времени в прототипе ттпрот «10 мс « Тк « 40 мс, где Тк - время телевизионного кадра.
М. кл.5 H04N 3/14
С целью улучшения основной характеристики преобразования изображения, т.е. снижения величины NETD в направлении радиационного предела, необходимо обеспечить GT - Отид, что достигается за счет более качественной тепловой развязки чувствительного элемента от конструктива. Однако при этом возрастает также и тепловая постоянная времени, т.е. возникает тепловая инерция системы, что снижает положительный эффект от улучшения GT с ростом частоты в представляющем практический интерес диапазоне частот изменения температуры  ... fCB  1/TK.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение основной характеристики преобразования ИК-изображения - снижение эквивалентной шуму разности температур.
Указанная цель достигается тем, что известный преобразователь изображения , содержащий последовательно включенные матрицу приемников излучения, предусилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор, а также генератор опроса матрицы, дополнительно содержит блок покадрового конечноразностного преобразования сигнала, подключенный к выходу цифрового процессора.
Введение дополнительного блока покадрового конечно-разностного преобразования сигнала с выхода цифрового процессора позволяет снизить эквивалентную шуму разность температур преобразователя ИК изображения в практически интересующей области частот изменения температуры за счет осуществления для каждого элемента матрицы вычитания величины сигнала в предыдущем кадре из величины сигнала в текущем кадре, т.е. за счет устранения тепловой инерции системы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя ИК-изображения;
на фиг. 2 - принципиальная схема электрического звена, моделирующего тепловые процессы в болометре;
на фиг.З - характер преобразования сигнала с элемента разложения во временной и частотной областях;
на фиг. 4 - характер преобразования температурных шумов болометрического элемента в частотной области;
на фиг. 5 - характер частотных преобразований температурных шумов болометра с идеальной теплоизоляцией относительно конструктива;
на фиг. 6 - частотная зависимость выигрыша в величине NETD для болометра с идеальной теплоизоляцией;
на фиг. 8 - характер преобразования температурных шумов болометра в предлагаемой полезной модели;
на фиг. 9 - частотная зависимость выигрыша в NETD у предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом при идеальной тепловой развязке относительно конструктива.
На входе системы, содержащей матрицу 1 приемников излучения, предусилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3 и цифровой процессор 4, а также генератор опроса 5, действует входной сигнал 6. Блок 7 конечно-разностного преобразования, подключенный к выходу цифрового процессора 4, формирует сигнал на выходе 8 преобразователя изображения.
Устройство работает следующим образом. Входной поток излучения 6 поступает на матрицу 1 болометрических элементов с оптимизированной тепловой развязкой от конструктива (GT  GT ид). Преобразованный матрицей 1 входной сигнал 6 передается на вход предусилителя 2 и далее обрабатывается АЦП 3, а полученный цифровой сигнал поступает в цифровой процессор 4 . Указанный процессор преобразует информацию по стандартным алгоритмам обработки изображения: корректировка неоднородности темнового отклика и чувствительности, замещение слепых элементов, подстройка яркости и контраста, как это имеет место в прототипе. Требуемый режим работы матрицы 1 задается генератором 5, формирующим время кадра Тк и соответствующие тактовые управляющие сигналы, определяющие последовательность опроса элементов в матрице 1. Для каждого из элементов матрицы 1 выходной сигнал блока 7 конечно-разностного преобразования определяется как разность между откликами в текущем и предыдущем кадрах, преобразованными с помощью процессора 4.
Предельные возможности улучшения эквивалентной шуму разности температур оценим, исходя из того, что шумы собственно электронного тракта обработки сигнала малы по сравнению с шумами приемника излучения - болометра.
Пусть РПад.уд  удельная мощность падающего на болометр постоянного излучения, Вт/см ; ЛРпад.уд(0  то же Д™ модулированного излучения; А - площадь чувствительного элемента, см.
Тогда при АРПад.уд(0  0 в установившемся режиме уравнение теплового баланса для болометра есть
5
где Ткон - температура конструктива, А То кон - перегрев болометра относительно конструктива, GT KOH - тепловая проводимость болометра относительно конструктива, а - постоянная Стефана - Больцмана.
В этом выражении слева указан подводимый поток излучения, а справа - отводимый поток за счет сброса тепла на конструктив и излучения.
При ДРПад.уд(0  рпад.уд 0) преобразуется к виду
Рпад.уд + АРПад.уд(  АТО кон + AT(t)GT KOH +
+  Ткон + АТ0 кон + AT(t))4A+ ст .О а)
где AT(t) - дополнительный перегрев болометра относительно температуры Ткон+ ДТ0 кон,
ст - теплоемкость болометра. При AT(t) « Ткон + АТ0 кон из (1), (1а) следует:
АРпад.уд(ОА  AT(t)GTKOH + 4с7(Ткон + ATOKOH)3AT(t)A + (16)
Дифференциальное уравнение (16) тождественно уравнению для электрической RCцепи, приведенной на фиг. 2 с указанными аналогиями параметров:
i(t) ДРПад.уд(ОА, u(t)AT(t), ,
G  GTS  GT кон + ( Ткон + АТ0 КОН)ЗАВ силу этого частотная характеристика температурной чувствительности есть
sT(0  sT(0) -|Ц- (К/Вт),(2)
где тепловая постоянная времени Тт и суммарная тепловая проводимость GT2 болометра
l + , GTM + j0)b
В идеальных условиях GT кон « 4а( Ткон + ДТО Кон)  тид, т.е. приемник имеет абсолютную тепловую развязку от конструктива, и отвод тепла от болометра идет только за счет излучения во внешнюю среду. Тогда соответствующая идеальная тепловая постоянная времени болометра
™ ( Тко„ + АТ0 Кон)(26)
Как отмечалось выше, тепловая постоянная времени в прототипе ттпрот« Тк, так что
для представляющих интерес частот изменения входного воздействия он может считаться безынерционным. Исходный сигнал f(t) (см. фиг. 3) имеет спектр F(f), преобразуемый тепловым звеном с характеристикой ). Полученный при этом спектр Fl(f) практически совпадает с F(f), а форма отклика теплового звена fl(t) соответствует f(t). Сигнал fl(t) подвергается выборке fo(t) с кадровой частотой 1ЛГК, что соответствует умножению во временной и свертке в частотной областях. В результате в широкополосном электронном тракте возникает сигнал fTn(t) со спектром FTp(f), который в дальнейшем подвергается операции выборки-хранения (например, в виде запоминания величины сигнала в данном кадре в соответствующей ячейке оперативного запоминающего устройства). Данная операция во временной области соответствует свертке с функцией (t), а в частотной - умножению на функцию FB.x(f)  (7tfTK)/(7rfTK) 4. В результате для входного сигнала f(t) на болометрическом приемнике получаем выходной сигнал системы fpesO) co спектром Fpe3(f) «F(f)sT(f)(f)- Как видно по фиг. 3, в данном случае спектр результирующего сигнала очень близок к исходному.
Аналогия тепловой и электрической моделей , отраженная на фиг. 2, допускает также ее распространение на флуктуационные процессы в тепловом приемнике. Спектральная плотность мощности температурных шумов равна 5
s21I1T(f)  4kT2G4: (Вт2/Гц)(3)
Исходный температурный шум болометра s2mT(f) (см. фиг. 4) подвергается фильтрации на тепловом звене с характеристикой s2T(f). При этом эквивалентная шумовая полоса частот для температурного шума болометра
Af™36 ij(f)df  l/(4TT)(4)
Получаемый при этом спектр есть (f). Мгновенное значение этого шума во
временной области подвергается выборке с периодом Тк, что в частотной области соответствует свертке со спектром вида Fo(f)- Возникающий в результате свертки и передаваемый по широкополосному тракту спектр РШТр(0 в рассматриваемом случае ттпРот  0-25ТК относительно слабо зависит от частоты (колебания не превышают (10 ...15)% от амплитуды), но зато простирается в область высоких частот. Реальные ограничения на его воздействие в определяющей степени накладывает операция выборки-хранения с указанным выше спектром (f). Результирующий спектр шума имеет вид Р2Шрез(0  Р2штр(ОР2в-х(0 и также изображен на фиг. 4. В качестве приемлемой оценки снизу для спектра Р2ШТр(1) примем
Р2ШТр(0  W(0)  8шт2(0) 5т(0)  4kTVGTS(5)
Тогда мощность температурного шума болометра в прототипе
(Ш2т)прот  J OOdf  jF(f)FL(f)df
jjcr rin(rfr.)df  4jgTl7r
uu
f GTE (,rfTK)2GTE
В последнем результате учтено значение табличного интеграла, приведенного в 6. Следовательно, при частоте модуляции излучения f отношение сигнал/шум в прототипе при преобладании температурных шумов будет равно
st(f)|-F(f)-FM(f).AT СУШ (  -(7)
)прсп
соответствующая эквивалентная шуму разность температур
NETD(f)lT
)|.|F,(f)|
A|F(f)|-|FB x(0| При нормировке частоты f на преобразуется к виду
NETD(fTK)npOT
При использовании болометра с идеальной теплоизоляцией относительно конструктива Отид   Вт/К 3, соответствующая тепловая постоянная времени ттид
2.5ТК. Результирующий спектр РШпез.ид-(0 (см- Фиг- 5) практически весь сосредоточен в частотной области не шире 1/Тк. При этом РШ,е,ил(0  S2mTlul(f)-S(0-FB2 x(f) 4kT
Из этого выражения, а также 6,7} мощность шума болометра в идеальном прототипе
4kT2 4T.
(Ш2 ) -fF2 mdf  -.lbL. fgJidx f sm х dx  ax jax
(8)
j
/ГГ
ilK
2 тпрот
V4kT2GTЈV2VV1 + (2™™02
(86)
Тк J
tf G
oo . 2oo . j
-sin x . г sm x кадровую частоту 1ЛГК последнее выражение 1 4J2 sin2(7rfTK) l + TrfO2(т:ГГк)
4VT2т-- 4VT2т
- -2TK 1-Ьа-О-е т™)  (-)
Lгр VУ   V гр X
JTun1„От„„1 . 2ТК-0176 ,
тид
где а  2
)  l-:YHL(), «15)-0.17б
Эквивалентная шуму разность температур для прототипа с идеальной тепловой развязкой относительно конструктива в соответствии с (8)
dP,
WA.|F(f)|.|FM(f)| S™(0
dT A-F(f)|-|FB,(f)|
ЫЕТО(ГГк)прот.ад  Сравнивая (Юа) и (86), получаем идеальной теплоизоляции в т| раз:
(9)
4kT2
(9а)
(96)
/ЙЩ
прот.ид
G«
(10) v v к) (2теттнд02 улучшение значения NETD(fTK) при переходе к
NETEKfTj
InpOT
NETEKfTj
протид
Как видно из фиг. 6, соотношение TI  1 при имеющихся на практике значениях ттщ,/тк 2.5, -стпрот/Тк « 0.25, ОТ1/ОТИД  10 сохраняется в интервале частот О ...0.7/ТК,
заведомо более широком, чем это необходимо в подавляющем большинстве применений. Т.е., как и следовало ожидать, улучшение теплоизоляции болометра от конструктива приводит к улучшению свойств преобразователя ИК-изображения с точки зрения регистрации слабых температурных перепадов.
Обратимся теперь к этапам и особенностям преобразования сигнала в предлагаемой полезной модели с тепловой изоляцией болометра, близкой к идеальной. При ттид/Ткк
2.5 имеет место соотношение 8(1/70  0.07sTM(0), где sTM(f) - частотная характеристика теплового звена полезной модели. В результате такого спада частотной характеристики изменение температуры болометра во времени flM(t) получается растянутым по сравнению со входным сигналом f(t) (см. фиг. 7).
Временные выборки fo(t) определяют передаваемый по электронному тракту сигнал fTp M(t). С помощью операции выборки-хранения сигнал приобретает вид f2M(t) и частотный спектр F2M(f). В дальнейшем осуществляется межкадровое вычитание сигнала, приводящее к результирующему сигналу Грез.м(0  м(0  м(1+Тк). Эта операция производится с помощью вновь введенного в предлагаемой полезной модели блока покадрового конечно-разностного преобразования (БКРП). В частотной области соответствующий спектр Fpe3 M(f)  F2M(f) l-exp(). Таким образом, в
представляющем практический интерес частотном диапазоне 0...1/ТК выражение для Ррез.м(г) может быть записано в виде
Ррез.мСО  F(f) sTM(f) (f) l-exp(-j27cfTK) Fpe,M(0|  F(f)
vrnpoT
fTK)2
1 + (2я
(106)
+ ()2
00 :/,  гч22Т ГТ 2sm(7tfTK) (11 a Отвд j + (2mTmf)27tfTK 1.„ sin(7cfT ) .
$2штид(0 преобразуется функцией (f)  $2ТИд(), в результате чего возникает спектр 8ШТМ(Г)  8ШТИД(Г). Выборки с частотой 1ЛГК и спектром Fo(f) приводят к
спектру шума в электронном тракте РШТр.м(,ид(0- Как и описанные только что операции, последующая операция выборки-хранения со спектром (f) и получаемый в ее результате спектр шума  M(f)  .ид(0 не отличаются от приведенных на фиг. 5 зависимостей для прототипа, обладающего совершенной теплоизоляцией болометра от конструктива. Производимая далее операция вычитания со сдвигом на время Тк имеет частотную характеристику F.(f)  1- exp(-j27iTK) и, следовательно,
F2.(f)  2sin(7tfTK)2,(12)
поэтому результирующий спектр, мощности шума в модели равен
(0  .M(f).F2(f)«sL,,(f)-sL(0-FL(f)-F2(f)(13)
Тогда мощность температурного шума в предлагаемой полезной модели при преобладании температурного шума болометра с совершенной тепловой развязкой от конструктива
(mT2)(f)df«J{4kT2G
4Ј Т2а2
2Гк(2-8-/),
Gmud
где значение а определено ранее ( см. пояснения к (9), (9а) ),
т f Sm X ,I 1  Л .,,
1  2/a+-(l + )
J0l + aV 4 а
В двух последних выражениях использованы данные 8.
GL 1 + (2тгттидГу
тид sin(irfTK)
(7ifTK)z}df
TtfT,
4kT3
(Шт2)м  .(),
тид
U-7p-)  .5-e т +0.25(1+е т ) ,
к к
ЈM (2.5) «0.08
С учетом ввода операции покадрового конечно-разностного преобразования сигнала (вычитание со сдвигом на время TK), эквивалентная шуму разность температур в предлагаемой полезной модели есть
(Шт)м
(14)
Сравнивая (15) с (10) и (15а) с (Юа), получаем, с учетом (12), что в предлагаемой полезной модели возможен выигрыш в величине эквивалентной шуму разности температур соответственно в K.NETD(0 и NETD(K) :
NETD(f)J
1прот.ид
NETD(I)
NETD(f)L
«)
-2sin(7tfTK)
u)
к
к rfr .  NETDCfrJU  NEToU к) NETD(frK)M KNETD
При ТТИД/ТК 2.5 получим с учетом (96), (14а):
KNETD(y  25.fr.)  3sin(itfTK) (166)
Из фиг. 9 следует, что предлагаемая полезная модель дает выигрыш в эквивалентной шуму разности температур по отношению к прототипу с идеальной тепловой развязкой болометрического элемента относительно конструктива в интервале частот (0.1/ТК ... 0.9/ТК). Поскольку , в соответствии с фиг. 6, идеальная тепловая развязка в прототипе эффективна до частот 0.7/ТК, то использование предлагаемой полезной модели при наличии такой развязки особенно целесообразно в интервале частот (0.1/ТК ... 0.7/ТК). Отметим, что в области низких частот )(1ТК) и Fpe3-M(f) из (Па) стремятся к нулю. Но это не снижает качества использования предлагаемой модели в широком классе тепловизионных систем, предназначенных для регистрации движущихся целей: эти системы не должны реагировать на неизменные тепловые картины. Таким образом,
«у1) )|
)
к
(16)
Оба)
предлагаемая полезная модель может с особым успехом быть использована в системах охраны, наблюдения и других, связанных с селекцией движущихся целей.
Преобразователь изображения может быть выполнен на основе матрицы болометрических приемников излучения (например, формата 256x256) с повышенной теплоизоляцией относительно конструктива (GT  Ю-8 Вт/К), предусилителя с полосой частот пропускания 2 МГц, АЦП с числом разрядов 8 ... 12 и частотой квантования не хуже 2 МГц, цифрового процессора (с числом разрядов 8) и блока покадрового конечно-разностного преобразования сигнала (например, на базе IBM-совместимого персонального компьютера, согласованного с выходной шиной цифрового процессора).
Источники информации
1.D.H. Seib. Criogenic electronics for IR FPAs. Proc. Symp. on Low Temperature Electronics & High Temperature Superconductors. Honolulu, Hawaii, Oct. 19-23, 1987, v. 88-9, The Electrochem. Soc., Inc., pp. 499 - 517.
2.R. Wood. Uncooled thermal imaging with monolithic silicon focal planes. Proc. SPIE, v. 2020, IR Technology XIX (1993), pp. 322 - 329.
3.R. Wood, N. Foss. Micromachined bolometer arrays achive low-cost imaging. Laser Focus World, June 1993, pp. 101 - 106.
4.M.A. Тришенков. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. Радио и связь, М., 1992, с. 71.
5.М.М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Машиностроение, Л., 1977, с. 499.
6.Г.Б. Двайт. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Наука, М., 1973, с. 192, №858.652)
7.Там же, с. 195, № 859.002.
8.Там же, с. 192, № 858.654; с. 29, № 120.01; с. 195, №№ 859.001, 859.003.
Зам. Генералъно о рекщт В.П. Пономаренко
iЈ