СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТИ СИГНАЛА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА
METHOD OF COMPENSATING FOR SIGNAL IRREGULARITY OF PHOTOSENSITIVE ELEMENTS OF MULTIELEMENT PHOTODETECTOR

Изобретение относится к технике формирования изображений, в частности, к системам оптико-электронных приборов формирования и обработки инфракрасных изображений (ИК), в которых актуальна задача коррекции тепловизионного изображения, связанная с компенсацией неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов, и может быть использовано для разработки и создания тепловизионных систем и приборов различного назначения с матричными фотоприемными устройствами (МФПУ).
Известно техническое решение, в котором описан способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника (патент РФ №2066057 на изобретение, МПК: 6 H04N 5/33), заключающийся в том, что осуществляют формирование кода компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника; формирование кода коррекции чувствительности для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника; прием подлежащего регистрации потока излучения. На фотоприемник осуществляют подачу первого опорного потока излучения при отсутствии приема подлежащего регистрации потока излучения с формированием и запоминанием электрического сигнала, вырабатываемого при реагировании на первый опорный поток излучения, и компенсацией фоновой составляющей сигнала фотоприемника при приеме подлежащего регистрации потока излучения путем суммирования электрического сигнала от регистрируемого потока излучения с электрическим сигналом, в отношении которого осуществлено запоминание. При этом в течение приема первого опорного потока излучения формируют и запоминают электрический сигнал компенсации фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника. Дополнительно, при отсутствии приема подлежащего регистрации потока излучения осуществляют подачу второго опорного потока излучения с формированием и запоминанием электрического сигнала коррекции чувствительности для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника. При приеме подлежащего регистрации потока излучения одновременно с компенсацией фонового сигнала и дрейфа сигнала для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника путем суммирования предварительно обработанного сигнала соответствующего элемента с сигналом компенсации его фонового сигнала, в отношении которого осуществлено запоминание, и дрейфа сигнала осуществляют коррекцию чувствительности для каждого фоточувствительного элемента фотоприемника путем изменения амплитуды просуммированного сигнала для каждого фоточувствительного элемента в соответствии с сигналом коррекции его чувствительности, в отношении которого осуществлено запоминание. В способе величину первого опорного потока излучения устанавливают пропорционально величине потока внешнего фонового излучения. Процесс компенсации состоит в периодически выполняемой процедуре определения корректирующих коэффициентов и непрерывно выполняемой процедуре корректировки сигналов.
К недостаткам приведенного технического решения относятся: относительно высокие аппаратные затраты электронной системы тепловизионного прибора (ТВП) на реализацию компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов; невысокая технологичность и универсальность компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала; недостаточно удовлетворительное качество тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути; невысокая надежность компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов; зависимость качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов в широком диапазоне изменения внешнего фонового излучения; зависимость качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов от динамики изменения входного потока внешнего фонового излучения.
Недостатки обуславливают следующие причины. Во-первых, существует необходимость установки величины первого опорного потока излучения пропорционально величине потока внешнего фонового излучения, что требует использования опорного источника излучения с возможностью регулировки потока излучения. Данное обстоятельство соответственно требует дополнительных средств контроля и оценки величины входного потока от опорного источника. Во-вторых, для обеспечения качественной и надежной компенсации темновой составляющей сигнала фотоэлементов МФПУ требуется обеспечить непрерывный контроль величины входного потока внешнего фонового излучения, в соответствии с которым необходимо устанавливать величину потока опорного источника излучения. Данное обстоятельство ограничивает возможность наблюдения сцен с высокой динамикой, при которой характерна быстрая смена величины потока внешнего фонового излучения. Это связано, прежде всего, с быстродействием системы регулирования потока излучения опорного источника, со способностью системы регулирования быстро подстраивать величину потока излучения опорного источника в соответствии с величиной входного потока внешнего фонового излучения. В-третьих, реализация способа приводит к большим габаритам, массе и энергопотреблению электронной системы ТВП, обеспечивающей компенсацию неоднородности постоянной составляющей сигналов фоточувствительных элементов, и кроме того, к большим габаритам и массе оптико-механической системы ТВП, обеспечивающей реализацию компенсации неоднородности постоянной составляющей сигналов фоточувствительных элементов.
Известен способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника (В.Н.Соляков, С.И.Жегалов, Л.Д.Саганов, А.М.Филачев, К.О.Болтарь, И.Д.Бурлаков, А.Н.Свиридов «Метод коррекции неоднородности многоэлементных фотоприемных устройств по сигналам сцены». Прикладная физика. - 2008 г. - №1. - с.с.60-70), взятый за ближайший аналог, заключающийся е том, что осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала, по сигналам, получаемым при регистрации сцены, определяют межэлементные связи неоднородности соседних элементов, а затем корректирующие коэффициенты для всех элементов, обеспечивающие устранение неоднородности выходных сигналов, производят корректировку в динамическом диапазоне сигналов, регистрируют их фотоприемником. Для каждого элемента определяют пару корректирующих коэффициентов - по смещению и чувствительности, при достаточном уровне изменчивости сцены на элементе. При недостаточной изменчивости сцены производят одноточечную коррекцию. По реализации в основе способа лежит метод двухточечной коррекции, в зависимости от сцены используют адаптацию к одно- или совместно к двух- и одноточечной коррекции. Процесс коррекции состоит в периодически выполняемой процедуре определения корректирующих коэффициентов и непрерывно выполняемой процедуре корректировки сигналов.
Результат коррекции зависит от сцены. Показано, что условием точного корректирования является межэлементное равенство средних потоков и средних отклонений сцены.
К недостаткам приведенного технического решения относятся: высокие аппаратные затраты электронной системы ТВП на реализацию компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов; невысокая технологичность и универсальность компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала; недостаточно удовлетворительное качество тепловизионного изображения, в честности, получаемого с фотоприемника на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути; невысокая надежность компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов, зависящая от контрастности наблюдаемых сцен; зависимость качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов в широком диапазоне изменения внешнего фонового излучения; зависимость качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов от динамики изменения входного потока внешнего фонового излучения.
Причина недостатков заключается в том, что способ компенсации базируется на использовании сигналов сцены.
Применение компенсации по сигналам сцены, с одной стороны, позволяет упростить оптико-механическую часть ТВП, однако, с другой стороны, требует значительных вычислительных ресурсов. В свою очередь, это обстоятельство влечет за собой увеличение массы, габаритов и энергопотребления электронной системы ТВП. Осуществление компенсации по сигналам сцены требует применения сложных вычислительных алгоритмов и высокой точности анализа, что определяет задачу достижения качественной и надежной компенсации по сцене как труднореализуемую.
Использование одноточечной коррекции чувствительности при недостаточной изменчивости сцены говорит о заведомо худшем качестве выравнивания, в этом случае, чем, если бы выравнивание проводилось по двум точкам при использовании опорных излучателей.
Техническим результатом изобретения является:
- снижение аппаратных затрат электронной системы ТВП на реализацию компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов;
- повышение технологичности и универсальности компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала;
- повышение качества тепловизионного изображения, в частности, получаемого с фотоприемника на основе твердого раствора теллуридов кадмия и ртути;
- повышение надежности компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов независимо от контрастности наблюдаемых сцен;
- достижение независимости качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов в широком диапазоне изменения внешнего фонового излучения;
- достижение независимости качества компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов от динамики изменения входного потока внешнего фонового излучения.
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
Технический результат достигают тем, что в способе компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника, заключающемся в том, что осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала, причем обработку проводят в соответствии с формулой , где S - выровненный массив изображения; Tin - выходной массив изображения, поступающего с многоэлементного фотоприемника, формируемый в результате воздействия излучения, подлежащего регистрации от объекта наблюдения; Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, полученных в результате выполнения расфокусирования; k - массив коэффициентов коррекции чувствительности элементов многоэлементного фотоприемника, i - номер пикселя в строке массива изображения, j - номер строки массива изображения; при этом Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения или поток с заданной равномерностью и, в результате расфокусирования, смещающего плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы или в промежуточную плоскость между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью фоточувствительных элементов, соответственно; затем осуществляют регистрацию расфокусированного излучения и запись массива Tfon, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие потока расфокусированного излучения, в память электронной системы; после чего для получения на выходе фотоприемника массива сигналов Tin, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие подлежащего регистрации излучения от объекта наблюдения, расфокусирующий элемент выводят из оптического тракта; далее выполняют обработку сигналов в соответствии с приведенной формулой, получая выровненный массив изображения.
i,j
В способе при получении Tfon - массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента сохраняют требуемое поле зрения тепловизионного прибора - полное или частичное.
i,j
В способе Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения или поток с заданной равномерностью и, в результате расфокусирования, смещающего плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы или в промежуточную плоскость между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью фоточувствительных элементов, соответственно, а именно, смещающего плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы, расположенную на расстоянии 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов, или смещающего в промежуточную плоскость между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью фоточувствительных элементов, расположенную на расстоянии менее 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 приведена схема реализации компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника с оптической системой, реализованной, по крайней мере, в составе двух оптических компонентов, строящего промежуточное изображение и осуществляющего перенос промежуточного изображения в плоскость изображения, формируемого в плоскости фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы, с плоскостью промежуточного изображения, являющейся плоскостью промежуточного действительного изображения, где 1 - входной объектив, 2 - проекционной объектив, 3 - расфокусирующий элемент (в положении ввода его в оптический тракт оптической системы - показан сплошной линией, в положении вывода его из оптического тракта оптической системы - показан пунктирной линией), 4 - многоэлементный фотоприемник. На Фиг.2 схематически показан ход лучей при отсутствии расфокусиюрующего элемента в оптическом тракте оптической системы, предназначенного для компенсации неоднородности постоянной составляющей сигналов фоточувствительных элементов, с построением изображения за плоскостью холодной диафрагмы, в плоскости фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы. На Фиг.3 схематически показан ход лучей в случае присутствия расфокусирующего элемента в оптическом тракте оптической системы, предназначенного для компенсации неоднородности постоянной составляющей сигналов фоточувствительных элементов, при выполнении полной компенсации неоднородности постоянной составляющей сигналов фоточувствительных элементов, с построением изображения в плоскости холодной диафрагмы.
В настоящее время самым распространенным и наиболее эффективным среди используемых на практике методов коррекции геометрического шума МФПУ является метод линейной, или двухточечной коррекции, основанный на известной формуле (Н.И.Солина «Выравнивание чувствительности и исправление геометрического шума в тепловизионных изображениях методом двухточечной коррекции». Информационные технологии моделирования и управления: Междунар. сб. науч. тр. - Под ред. д.т.н., проф. О.Я.Кравца. Вып.15 - Воронеж: Изд-во «Научная книга». - 2004 г.; Н.И.Солина «Расчет поправочных коэффициентов в режиме калибровки по высокой температуре на нейропроцессоре Л1879ВМ1», Международная конференция «Математика. Компьютер. Образование»: Сборник тезисов докладов - Под общ. ред. Г.Ю.Ризниченко, вып.11, Москва - Ижевск: Изд-во «Регулярная и хаотическая динамика» - 2004 г.; К.О.Болтарь, Р.В.Грачев, В.В.Полунеев «Определение дефектных элементов матричных тепловизионных приемников в процедуре двухточечной коррекции»; Прикладная физика. - 2009 г. - №109 (1) - с.с.42-45; Р.В.Грачев «Калибровка параметров тепловизионной матрицы для двухточечной коррекции в блоке электронной обработки на базе микроконтроллера МС-24», Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ - 2008 г. - вып.3 - с.с.148-156):
,
i,j
где S - выровненный массив изображения;
i,j
Tin - выходной массив изображения, поступающего с МФПУ, формируемый в результате воздействия излучения, подлежащего регистрации от объекта наблюдения;
i,j
Tfon - массив постоянных составляющих сигнала с фоточувствительных элементов;
i,j
k - массив коэффициентов коррекции чувствительности элементов МФПУ, i - номер пикселя в строке массива изображения, j - номер строки массива изображения,
при значениях i от 0 до sizeX и j от 0 до sizeY, причем sizeX - количество столбцов массива, а sizeY - количество строк массива.
Двухточечная коррекция осуществляется в предположении линейной зависимости выходного сигнала, элементов матрицы от входного сигнала. В действительности эта зависимость отличается от линейной в большей или меньшей степени для разных элементов. Поэтому полностью устранить неоднородность не удается.
Негативной особенностью коррекции по двум точкам является использование источников эталонных сигналов с необходимостью их подстройки под сцену. Коррекция обеспечивается при условии линейной зависимости сигналов элементов от оптического потока на их входе. Для того чтобы в пределах динамического диапазона наблюдаемой сцены отклонение от линейной зависимости было минимальным, диапазон значений эталонных потоков согласовывается с диапазоном значений сигналов сцены. Кроме того, требуется поддерживать однородность засветки элементов МФПУ эталонными источниками, так как от равномерности засветки зависит точность определения корректирующих коэффициентов. В некоторых случаях наличие эталонных источников неприемлемо по условиям размещения их в аппаратуре.
Формирование на фоточувствительной области приемника равномерного теплового фона и эквивалентного ему массива постоянных составляющих сигналов фоточувствительных элементов Tfon при выполнении эффективной компенсации постоянной составляющей сигналов элементов МФПУ требует применения периодически вводимого в оптическую систему прибора опорного излучателя (как например, в первом из приведенных аналогов) или применения сложных алгоритмов компенсации по сцене наблюдения (как, например, во втором из приведенных аналогов).
i,j
В предлагаемом способе компенсации неоднородности сделан акцент на сохранении положительных особенностей вышеприведенных известных способов при одновременном исключении их недостатков. В связи с этим в предлагаемом техническом решении осуществлен переход к компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала фоточувствительных элементов, которая основана на формировании абсолютно равномерной или заданной равномерности засветки МФПУ по сцене наблюдения, и при этом, не требующей значительных вычислительных ресурсов. В процесс компенсации неоднородности, для получения значений постоянных составляющих сигналов фоточувствительных элементов Tfon вводят операцию расфокусирования, которую осуществляют посредством введения в оптическую систему ТВП расфокусирующего элемента (см. Фиг.1).
i,j
Для реализации предлагаемого способа компенсации неоднородности рассчитывается оптическая система на диапазон ИК-излучения, в котором работает ТВП, с учетом дополнительного расфокусирующего элемента (расфокусирующей линзы), отвечающего выполнению следующего условия. В зависимости от достижения требуемой полноты компенсации расфокусирующий элемент при введении его в оптический тракт должен сдвигать плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы МФПУ или в плоскость, расположенную между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью, в которой расположены фоточувствительные элементы фотоприемной матрицы. Кроме того, расфокусирующему элементу при введении его в оптический тракт присуще свойство сохранения заданного поля зрения оптической системы. Для формирования на входе фотоприемника равномерного потока излучения  или потока с заданной равномерностью в оптический тракт оптической системы вводят рассчитанный расфокусирующий элемент, в результате чего происходит смещение плоскости изображения в плоскость холодной диафрагмы при требовании достижения полной компенсации, или в промежуточную плоскость между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью фоточувствительных элементов в случае, когда достаточна частичная компенсация, соответственно. Осуществляют регистрацию излучения и запись массива Tfon в память электронной системы, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие потока излучения  - расфокусированного потока излучения. Для получения на выходе фотоприемника сигнала Tin, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие подлежащего регистрации излучения Р от объекта наблюдения, расфокусирующий элемент выводят из оптического тракта. Далее выполняют обработку сигнала, получая выровненный массив изображения с учетом выполнения компенсации неоднородности, в соответствии с вышеприведенной формулой. Исходные коэффициенты коррекции записаны в память электронной системы ТВП. Процесс компенсации, также и таким же образом, состоит в периодически выполняемой процедуре определения корректирующих коэффициентов и непрерывно выполняемой процедуре корректировки сигналов, с той разницей, что значения Tfon, необходимые для коррекции, получают не посредством использования источников опорного потока излучения или сложных вычислительных алгоритмов по сигналам сцены, а посредством использования расфокусирующего элемента.
Коэффициенты хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) ТВП и при включении прибора загружаются из ПЗУ в оперативную память, такую же, в которую записывается массив Tfon. В этом случае коэффициенты рассчитываются при калибровке прибора с применением внешнего источника опорного излучения, например, абсолютно черного тела (АЧТ).
Возможен также вариант, в котором при включении прибора коэффициенты рассчитываются по встроенным источникам опорного излучения, после чего загружаются в оперативную память.
Расфокусирующий элемент вводят в оптический тракт по мере необходимости, которая устанавливается опытным путем, в зависимости от используемого приемника и условий эксплуатации прибора.
Компенсация неоднородности в соответствии с предлагаемым способом может быть выполнена полностью или частично, в зависимости от происходящей расфокусировки и осуществления сдвига плоскости изображения в плоскость холодной диафрагмы или в плоскость, расположенную между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью расположения фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы, соответственно.
Для осуществления полной компенсации неоднородности необходимо и достаточно выполнять главное условие. Вводимый в оптическую систему компонент должен сдвигать плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы МФПУ (см. Фиг.2, Фиг.3), так как в этом случае энергия излучения, поступающая от объекта и фона, будет равномерно попадать на всю фоточувствительную область фотоприемной матрицы. Соответствующая расфокусировка поступающего излучения для регистрации фотоприемной матрицей наиболее оптимальна при сдвиге плоскости изображения в плоскость холодной диафрагмы МФПУ, в результате чего указанный технический результат достигается с максимально возможной полнотой. При введении в оптический тракт расфокусирующего элемента 3 (см. Фиг.1), энергия излучения, идущая от объекта и фона, равномерно поступает на всю фоточувствительную область фотоприемной матрицы, приводя тем самым к полной компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала. При выведении из оптического тракта расфокусирующего элемента 3 (см. Фиг.1, при положении указанного элемента, обозначенного пунктирной линией) ИК-излучение от объекта наблюдения проходит по оптическому тракту, фокусируется с формированием изображения объекта в плоскости приемника излучения (см. Фиг.2). При введении расфокусирующего элемента 3 в оптический тракт происходит расфокусировка, изображение объекта наблюдения сдвигается в плоскость холодной диафрагмы МФПУ, на фоточувствительные элементы фотоприемной матрицы всегда поступает поток излучения, максимально пропорциональный потоку сцены наблюдения. Указанный поток гарантированно максимально пропорционален входному потоку сцены наблюдения, в связи с чем достигается высокое качество, надежность и независимость компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала элементов от динамики изменения потока энергии излучения сцены наблюдения. Последнее связано с тем, что не требуется дополнительного времени для установки величины потока опорного источника излучения пропорционально входному потоку наблюдения, подстройки под сцену. Обстоятельство гарантированной пропорциональности также позволяет избавить ТВП от систем контроля и управления опорными источниками излучения и, кроме того, обеспечивает снижение показателей массы, габаритов и энергопотребления электронной системы ТВП, таким образом, достигается повышение технологичности и универсальности компенсации неоднородности.
Во втором случае, когда вводимый в оптическую систему расфокусирующий элемент сдвигает плоскость изображения в плоскость, находящуюся между плоскостью холодной диафрагмы МФПУ и исходной плоскостью изображения (соответствующей случаю отсутствия расфокусирующего компонента в оптической системе, при котором плоскость изображения находится в плоскости фотоприемной матрицы, см. Фиг.2), то в этом случае неравномерность попадания энергии излучения, поступающей от объекта и фона, на фоточувствительную область фотоприемной матрицы будет частично сглажена. Произойдет частичная компенсация неоднородности, обусловленная пропорцией (относительно вышерассмотренного случая) осуществления расфокусировки поступающего излучения для регистрации фотоприемной матрице и сдвига плоскости изображения в направлении холодной диафрагмы. Достижение указанного технического результата возможно и в этом случае, хотя технический результат достигается не с максимально возможной полнотой.
Кроме того, осуществление компенсации неоднородности, в процессе которой вводят в оптический тракт расфокусирующий элемент, дает возможность осуществлять компенсацию неоднородности в широком диапазоне температур, практически ограниченном только температурным диапазоном применения тепловизионного прибора.
Пропорциональность поступающего потока излучения на фоточувствительные элементы фотоприемной матрицы входному потоку сцены наблюдения позволяет с высокой точностью компенсировать неоднородность постоянной составляющей сигнала элементов, тем самым способствовать повышению качества тепловизионного изображения.
Для осуществления компенсации неоднородности постоянной составляющей сигнала кроме вышеприведенного условия - обеспечения сдвига изображения объекта наблюдения в плоскость холодной диафрагмы МФПУ или в плоскость, расположенную между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью расположения фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы, желательно, для получения компенсации неоднородности в отношении всей фотоприемной матрицы, выполнить условие сохранения поля зрения оптической системы. При сохранении поля зрения компенсация осуществляется по усредненному потоку энергии излучения, поступающему от всего поля зрения. В случае изменения, уменьшения поля зрения компенсация неоднородности происходит не по всей фотоприемной матрице, а по некоторому ее участку, соответствующему данной, уменьшенной, величине now зрения. Однако и в этом случае компенсация неоднородности постоянной составляющей сигнала осуществляется таким же образом, по усредненному потоку, но поступающему согласно измененному, уменьшенному, полю зрения, соответствующему этому некоторому участку. В любом из этих случаев компенсация приводит к достижению равномерности в той или иной степени постоянной составляющей сигнала.
Оптическая система содержит, например, два оптических компонента (см. Фиг.1-3). Один компонент - строящий промежуточное изображение. Второй компонент - осуществляющий перенос промежуточного изображения в плоскость изображения, формируемого в плоскости фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы.
Оптическая система может быть реализована с внутренней плоскостью действительного промежуточного изображения и выполнена в составе, по крайней мере, двух оптических компонентов - входного и проекционного объективов, с плоскостью промежуточного действительного изображения, расположенной между указанными объективам (см. Фиг.1), или афокальной системы с плоскостью промежуточного действительного изображения, расположенной между компонентами афокальной системы, и объектива.
Следует подчеркнуть, что в каждом конкретном случае существующей оптической системы необходим расчет конкретных параметров расфокусирующего элемента.
Необходимость полной или частичной компенсации неоднородности определяется условиями эксплуатации тепловизионного прибора, характером решаемых при этом задач.
В частном случае реализации предлагаемого способа оптическая система может быть в нижеследующем варианте.
Входной объектив 1 (см. Фиг.1) выполнен в составе последовательно расположенных по ходу лучей положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Расстояние по центру между вогнутой поверхностью первого и выпуклой поверхностью второго составляет около 1,4 мм. Проекционный объектив 2 выполнен в составе последовательно расположенных по ходу лучей отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, двояковыпуклой линзы, отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, и положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов. Расстояние по центру между вогнутой поверхностью первого из менисков проекционного объектива и поверхностью двояковыпуклой линзы, обращенной к пространству предметов, составляет около 2 мм. Расстояние по центру между поверхностью двояковыпуклой линзы, обращенной к плоскости изображения, и вогнутой поверхностью второго из менисков проекционного объектива составляет около 2,5 мм. Расстояние по центру между выпуклой поверхностью второго и вогнутой поверхностью третьего менисков проекционного объектива составляет около 2 мм. Расстояние по центру между выпуклой поверхностью третьего и выпуклой поверхностью четвертого менисков проекционного объектива составляет около 0,5 мм. Расстояние между входным и проекционным объективами, то есть расстояние по центру между вогнутой поверхностью второго мениска входного объектива и выпуклой поверхностью первого мениска проекционного объектива составляет 95,5 мм. Расстояние по центру между выпуклой поверхностью первого из менисков входного объектива и плоскостью изображения (см. Фиг.1) составляет 150 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, первого по ходу лучей во входном объективе положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, составляет 60,096 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - 137,5351 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, второго по ходу лучей во входном объективе отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, составляет 220,393 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - 131,4331 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, первого по ходу лучей в проекционном объективе отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, составляет 27,2 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - 22,503 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, в проекционном объективе двояковыпуклой линзы, расположенной по ходу лучей после первого мениска, составляет 32,716 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - -54,64 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, второго, после двояковыпуклой линзы, по ходу лучей в проекционном объективе отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, составляет -15,88 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - -31,551 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, по ходу лучей в проекционном объективе третьего положительного мениска, обращенного выпуклостью к плоскости изображения, составляет -27,436 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - -33,183 мм. Радиус кривизны поверхности, обращенной к пространству предметов, по ходу лучей в проекционном объективе четвертого положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, составляет 22,19 мм, радиус кривизны поверхности, обращенной к плоскости изображения, - 31,885 мм. Материалами служат кремний и германий. Оптическая система снабжена расфокусирующим элементом 3 - отрицательным мениском, обращенным выпуклостью к плоскости изображения, со средствами ввода/вывода его из оптического тракта. Указанный мениск со средствами ввода/вывода установлен между плоскостью промежуточного действительного изображения и проекционным объективом (см. Фиг.1 и Фиг.3). В качестве средств ввода/вывода может быть использован электромеханический привод - шаговый двигатель серии MD 14. В случае выполнения полной компенсации, при осуществлении сдвига плоскости изображения в плоскость холодной диафрагмы, расфокусирующий элемент 3 - отрицательный мениск, обращенный выпуклостью к плоскости изображения, установлен таким образом, что расстояние по центру между его вогнутой поверхностью и вогнутой поверхностью второго мениска входного объектива составляет 72 мм с допуском ±0,05 мм. Для осуществления частичной компенсации указанное расстояние уменьшают. Расстояние по центру между вогнутой поверхностью, обращенной к плоскости изображения, четвертого мениска проекционного объектива и плоскостью изображения составляет 20,41 мм. Расстояние по центру между вогнутой поверхностью, обращенной к плоскости изображения, четвертого мениска проекционного объектива и входным окном криостата составляет 6,63 мм. Расстояние между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью изображения, являющейся плоскостью фоточувствительных элементов фотоприемной матрицы, в пределах которого при расфокусировании осуществляют сдвиг изображения, составляет 10 мм.
Исходная (до введения в ее состав расфокусирующего элемента 3) оптическая система обладает следующими характеристиками:
- спектральный диапазон 3-5 мкм;
- фокусное расстояние 60 мм;
- относительное отверстие 1/3;
- поле зрения в пространстве предметов 5,76×4,32 град.
При введении расфокусирующего элемента 3 в оптическую систему таким образом, что расстояние по центру между его вогнутой поверхностью и вогнутой поверхностью второго мениска входного объектива составляет 72 мм, с целью полной компенсации неоднородности, происходит смещение плоскости изображения в плоскость холодной диафрагмы. При этом фокусное расстояние объектива становится равным 30 мм, а размер получаемого изображения равен размеру холодной диафрагмы, поле зрения и относительное отверстие системы сохраняются, а на многоэлементный фотоприемник 4 (см. Фиг.1) попадает вся энергия, поступающая от объекта и фона.
Получаемая (после введения в ее состав расфокусирующего элемента 3) оптическая система обладает следующими характеристиками:
- спектральный диапазон 3-5 мкм;
- фокусное расстояние 30 мм;
- относительное отверстие 1/3;
- поле зрения в пространстве предметов 5,76×4,32 град.
Расфокусирующий элемент 3 характеризуется следующим:
- материал - кремний;
- толщина 2 мм;
- радиус кривизны R1=-1172,6 мм;
- радиус кривизны R2=-131,4 мм;
- световой диаметр 9,6 мм;
- масса 2 г.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.
Пример 1
При компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала.
Обработку проводят в соответствии с формулой
,
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
где S - выровненный массив изображения; Tin - выходной массив изображения, поступающего с многоэлементного фотоприемника, формируемый в результате воздействия излучения, подлежащего регистрации от объекта наблюдения; Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, полученных в результате выполнения расфокусирования; k - массив коэффициентов коррекции чувствительности элементов многоэлементного фотоприемника, i - номер пикселя в строке массива изображения, j - номер строки массива изображения. При этом Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения и, в результате расфокусирования, смещающего плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы, расположенную на расстоянии 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов. При получении Tfon - массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента сохраняют требуемое поле зрения тепловизионного прибора - полное.
i,j
i,j
Затем осуществляют регистрацию расфокусированного излучения и запись массива Tfon, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие потока расфокусированного излучения, в память электронной системы. После чего для получения на выходе фотоприемника массива сигналов Tin, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие подлежащего регистрации излучения от объекта наблюдения, расфокусирующий элемент выводят из оптического тракта. Далее выполняют обработку сигналов в соответствии с приведенной формулой, получая выровненный массив изображения.
i,j
При обработке используют коэффициенты, хранящиеся в памяти ПЗУ ТВП и при включении прибора загружающиеся из ПЗУ в оперативную память, такую же, в которую записывают массив Tfon. Коэффициенты рассчитывают при калибровке прибора с применением АЧТ.
Пример 2
При компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала.
Обработку проводят в соответствии с формулой
,
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
где S - выровненный массив изображения; Tin - выходной массив изображения, поступающего с многоэлементного фотоприемника, формируемый в результате воздействия излучения, подлежащего регистрации от объекта наблюдения; Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, полученных в результате выполнения расфокусирования; k - массив коэффициентов коррекции чувствительности элементов многоэлементного фотоприемника, i - номер пикселя в строке массива и изображения, j - номер строки массива изображения. При этом Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения с заданной равномерностью и, в результате расфокусирования, смещающего плоскость изображения в промежуточную плоскость между плоскостью холодной диафрагмы и плоскостью фоточувствительных элементов, расположенную на расстоянии 9 мм от плоскости фоточувствительных элементов. При получении Tfon - массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента сохраняют требуемое поле зрения тепловизионного прибора - полное.
i,j
i,j
Затем осуществляют регистрацию расфокусированного излучения и запись массива Tfon, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие потока расфокусированного излучения, в память электронной системы. После чего для получения на выходе фотоприемника массива сигналов Tin, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие подлежащего регистрации излучения от объекта наблюдения, расфокусирующий элемент выводят из оптического тракта. Далее выполняют обработку сигналов в соответствии с приведенной формулой, получая выровненный массив изображения.
i,j
При обработке используют коэффициенты, хранящиеся в памяти ПЗУ ТВП и при включении прибора загружающиеся из ПЗУ в оперативную память, такую же, в которую записывают массив Tfon. Коэффициенты рассчитывают при калибровке прибора с применением АЧТ.
Пример 3
При компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника осуществляют прием подлежащего регистрации потока излучения и выполняют обработку вырабатываемого фотоприемником сигнала.
Обработку проводят в соответствии с формулой
,
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
i,j
где S - выровненный массив изображения; Tin - выходной массив изображения, поступающего с многоэлементного фотоприемника, формируемый в результате воздействия излучения, подлежащего регистрации от объекта наблюдения; Tfon- массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов, полученных в результате выполнения расфокусирования; k - массив коэффициентов коррекции чувствительности элементов многоэлементного фотоприемника, i - номер пикселя в строке массива и изображения, j - номер строки массива изображения. При этом Tfon - массив скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов получают в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента, формирующего на входе фотоприемника равномерный поток излучения и, в результате расфокусирования, смещающего плоскость изображения в плоскость холодной диафрагмы, расположенную на расстоянии 10 мм от плоскости фоточувствительных элементов. При получении Tfon - массива скомпенсированных постоянных составляющих сигналов с фоточувствительных элементов в результате расфокусирования за счет введения в оптический тракт оптической системы тепловизионного прибора расфокусирующего элемента сохраняют требуемое поле зрения тепловизионного прибора - частичное, так как способ компенсации неоднородности используют в тепловизионной системе с лазерной подсветкой, работающей одновременно в пассивном и активном режимах, с одновременным представлением в выходном изображении на телевизионном мониторе двух изображений, сформированных в активном и пассивном режимах, причем в отношении изображения, полученного в активном режиме, предъявляются более жесткие требования к компенсации неоднородности сигнала.
i,j
i,j
Затем осуществляют регистрацию расфокусированного излучения и запись массива Tfon, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие потока расфокусированного излучения, в память электронной системы. После чего для получения на выходе фотоприемника массива сигналов Tin, формируемого на выходе фотоприемника в ответ на воздействие подлежащего регистрации излучения от объекта наблюдения, расфокусирующий элемент выводят из оптического тракта. Далее выполняют обработку сигналов в соответствии с приведенной формулой, получая выровненный массив изображения.
i,j
При обработке используют коэффициенты, хранящиеся в памяти ПЗУ ТВП и при включении прибора загружающиеся из ПЗУ в оперативную память, такую же, в которую записывают массив Tfon. Коэффициенты рассчитывают при калибровке прибора с применением АЧТ.