УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОРРЕКЦИИ ДЕФЕКТОВ И НЕОДНОРОДНОСТИ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ИК-ДИАПАЗОНА

Заявляемая полезная модель относится к средствам контроля формирователей сигналов изображений фотоприемных устройств (ФПУ) ИК-диапазона и применяется для оценки качества коррекции дефектов и неоднородности ФПУ в процессе выбора варианта такой коррекции при использовании для калибровки ФПУ эталонных источников излучения.
Для коррекции дефектов и неоднородности в состав формирователей сигналов изображений вводят блоки обнаружения дефектных элементов и определения корректирующих коэффициентов недефектных элементов и блоки корректирования неоднородности и исправления дефектов.
Обнаружение дефектов и определение корректирующих коэффициентов осуществляется в процессе калибровок по сигналам эталонных источников [Болтарь К.О., Грачев Р.В., Полунеев В.В. «Определение дефектных элементов матричных тепловизионных фотоприемников в процедуре двухточечной коррекции», Прикладная физика, 2009, №1].
Корректирование неоднородности и исправление дефектов осуществляется в процессе формирования изображений.
Существо задачи контроля качества коррекции дефектов и неоднородности состоит в рассмотрении возможных для использования в формирователях изображений вариантов коррекции и их корректном оценивании с последующим выбором наилучшего варианта для конкретных условий применения.
Множество вариантов определяется параметрами: числом используемых для калибровки температурных уровней (1, 2 или 3, соответственно: одно-, двух- или трехточечная коррекция), диапазоном температур калибровки, правилами обнаружения дефектных элементов и определения корректирующих коэффициентов, набором используемых значений времен накопления сигнала ФПУ. Коррекция уменьшает геометрический шум формируемого изображения и подбор параметров осуществляют в направлении снижения этого шума.
Формирователи изображений являются частью тепловизионных измерительных приборов (тепловизоров), поэтому для контроля качества изображения применимы критерии ГОСТ Р 8.619-2006, рассматривая в качестве термограмм (п.3.5 ГОСТ Р 8.619-2006) кадры формируемого изображения.
Так как коррекция дефектов и неоднородности направлена на снижение погрешности (остаточного геометрического шума) формируемого изображения, то контроль качества ограничивается только пунктами ГОСТ Р 8.619-2006, связанными с погрешностью измерения радиационной температуры. На практике, для сопоставления вариантов коррекции достаточно использования соответствующих п.8.8 критериев: порога температурной чувствительности и числа неисправных (дефектных) элементов. Набор элементов устройства, необходимого для осуществления измерений по п.8.8, принимается в качестве прототипа заявляемой полезной модели.
Ограничение состава критериев упрощает установку и сокращает время снятия необходимых для контроля термограмм.
Дополнительно повышает оперативность и информативность контроля программно-аппаратная реализация блоков обнаружения дефектных элементов и определения корректирующих коэффициентов недефектных элементов и блоков корректирования неоднородности. Соответствующие вариантам коррекции параметры управляются программным способом и для снятого набора термограмм оценки качества могут быть получены совместно для совокупности вариантов.
Решение задачи информативного и оперативного контроля в заявляемой полезной модели достигается тем, что устройство контроля качества коррекции дефектов и неоднородности фотоприемных устройств ИК-диапазона содержит эталонный излучатель, фотоприемное устройство для приема излучения, блок аналого-цифрового преобразования сигналов с фотоприемного устройства в термограммы, блок обнаружения дефектных элементов по термограммам, блок определения корректирующих коэффициентов недефектных элементов по термограммам, блок корректирования недефектных элементов в термограммах с помощью корректирующих коэффициентов, блок исправления дефектных элементов в термограммах с скорректированными недефектными элементами, блок оценивания показателей коррекции.
Установка работает следующим образом.
Излучатель эталонного излучения, ФПУ и блок аналого-цифрового преобразования обеспечивают получение наборов термограмм для задаваемых наборов температур и задаваемых наборов времен накопления сигнала в ФПУ. Термограммы записываются в память ЭВМ.
Блок обнаружения дефектных элементов осуществляет варианты обнаружения по наборам термограмм с одним или двумя уровнями температур. Правила обнаружения основываются на анализе средних значений и среднеквадратичных отклонений сигналов элементов ФПУ и, в случае использования термограмм с двумя уровнями температуры, на анализе средних и среднеквадратичных отклонений разности сигналов элементов для этих двух уровней температуры. Принятие решений о дефектности элемента осуществляется сопоставлением средних и/или отклонений сигналов по элементу с пороговыми значениями, устанавливаемыми на основании статистики по всем элементам. Решение блок выдает в виде координат дефектных элементов среди всего множества элементов ФПУ.
Блок определения корректирующих коэффициентов недефектных элементов обеспечивает варианты определения по наборам термограмм с одним, двумя или тремя уровнями температур. Вариант с одним уровнем используют в случае, если корректирующие коэффициенты по чувствительности известны заранее и записаны в памяти ЭВМ и термограммы одного уровня используются для определения коэффициентов коррекции по смещению (постоянной составляющей). Варианты с двумя уровнями используют для получения корректирующих коэффициентов по чувствительности и смещению. Правила определения соответствуют методу двухточечной коррекции [David L. Perry, Eustase L. Dereniak «Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors». «OPTICAL ENGINEERING», August 1993, Vol. 32, №8, 1854-1859]. Варианты с тремя уровнями исходят из метода [Жегалов С.И., Соляков В.Н., Фетюхина В.Г. «Метод линеаризированной трехточечной коррекции неоднородности фотоприемных устройств», Прикладная физика, 2010, №4]. Соответственно, решение блок выдает в виде одного, двух или трех массивов коэффициентов.
Блок корректирования недефектных элементов определяет с помощью коэффициентов коррекции скорректированные значения недефектных элементов исходной термограммы.
Блок исправления дефектных элементов заменяет значения сигнала этих элементов на значения ближайших скорректированных недефектных элементов.
Блок оценивания показателей коррекции определяет значения критерия коррекции. Правило его определения исходит из соответствия скорректированного сигнала входному, однородному по элементам ФПУ, излучению (потоку). Однородность входного потока сводит правило определения критерия к расчету среднеквадратичного отклонения скорректированного сигнала в среднем на элемент. Усреднение осуществляется по всем элементам, включая и дефектные. В получении среднеквадратичных отклонений участвуют термограммы всего температурного диапазона коррекции. Вычисляемое отклонение - это сигнальная форма критерия обозначается через .
Критерий из сигнальной формы - отклонения скорректированного сигнала изображения , пересчитывается в температурную по формуле,
,
где ΔT и ΔS - температурный и соответствующий ему сигнальный диапазоны процедуры коррекции. Температурный критерий  соответствует интервалу температуры, соответствующему остаточному шуму в изображении, т.е., этот критерий соответствует эквивалентной шуму температуре.
По оцениваемым вариантам коррекции критерий выдается в сигнальной и температурной форме, в целом по массиву элементов и в подразделении по дефектным и недефектным.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства контроля качества коррекции дефектов и неоднородности фотоприемных устройств ИК-диапазона.
Обозначены:
1. Эталонный излучатель (абсолютно черное тело - АЧТ);
2. Фотоприемное устройство;
3. Блок аналого-цифрового преобразования;
4. Блок обнаружения дефектных элементов;
5. Блок определения корректирующих коэффициентов недефектных элементов;
6. Блок корректирования недефектных элементов;
7. Блок исправления дефектных элементов;
8. Блок оценивания показателей коррекции;
9. Исходные термограммы;
10. Координаты дефектных элементов;
11. Критерий коррекции.
В качестве примера приводятся характеристики контроля качества ФПУ с матрицей 256×320 элементов. Диапазон работы матрицы 3-5 мкм. Эквивалентная шуму разность температур 25 мК.
Контроль проведен для различных температур АЧТ, с шагом 1.°C - 5°C и диапазоном от 5°C до 75°C, для времен накопления сигнала элементами матрицы от 64 мкс с шагом до 1024 мкс.
Термограммы использовались как опорные сигналы - для определения дефектных элементов и корректирующих коэффициентов, и они же корректировались по 2- и 3 параметрическим схемам.
p
P
P
T
T
P
P
T
P
T
Вариант коррекции определяют две характеристики: n - число параметров, или же число корректирующих коэффициентов на элемент (n=2 - двухпараметрическая, n=3 - трехпараметрическая) и n - количество температурных точек, используемых для определения корректирующих коэффициентов, n≥>n. Тогда (n, n) означает n - параметрическую коррекцию по n точкам.
P
T
P
T
T
P
T
P
T
T
p
T
P
T
Контролируемые схемы - (2, 2) и (2, n), n>2 - для двухпараметрической коррекции, и (3, 3) и (3, n), n>3 - для трехпараметрической. Схема (3, 3) рассматривалась и в варианте ((2+1), 3) - коррекция по двум параметрам с подправкой по третьему.
P
T
Рассмотрена кусочно-линейная коррекция (2, 3/2), схема которой следует из аналогии с кусочно-линейной аппроксимацией. Коррекции соответствуют 2 температурных интервала, с двухточечной коррекцией в каждом.
На фиг. 2. представлен пример исходной термограммы, карта обнаруженных дефектов и типичная картина после коррекции
На фиг. 3 приведен график зависимости критерия коррекции от температуры АЧТ при различных вариантах коррекции для диапазона температур коррекции ΔT=35°.
График показывает, что в рабочем диапазоне температур ΔT=35° три варианта трехточечной коррекции обеспечивают среднеквадратичное отклонение скорректированного сигнала не выше эквивалентной шуму разности температур ФПУ 25 мК.