Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 33
Текст из файла (страница 33)
К основным составляющим шума МПИ обычно относят: радиационный фоновый шум; так называемый геометрический шум, определяемый неоднородностью параметров отдельных элементов МПИ; тепловой шум, вызываемый теми же, что и в одноплощадных приемниках, явлениями термоэмиссии носителей; неустранимый минимальный уровень шума — шумовой »пьедесталл» (1(оог локле)Г шум вследствие неполной эффективности переноса зарядов в ПЗС- фотоприемниках; шум выходной цепи (цепи считывания) МПИ. Очень часто все эти составляющие выражают числом электронов (»шумовых» электронов), приходящихся на один элемент (пиксель) МПИ. Дисперсию радиационного фонового шума МПИ можно представить как 2~1»Л~„ П»цм где е — заряд электрона; 1 — ток, вызываемый потоком, приходящим Ф от »видимого» МПИ фона с некоторой усредненной яркостью или температурой; Ь|„— информационная полоса пропускания частот, б1„= )тГ„Л~„1(2Т,), тчГ„ЛÄ— количество элементов МПИ по горизонтали (1чГ„) и по вертикали (Ф„1, Т, — время кадра (период сканирования; см.
5 8.2). Числитель этого выражения полностью аналогичен выражению для дисперсии дробового шума. Появление в знаменателе произведения коэффициентов т),„и Пгл (КПД сканирования по осям х и у — см. б 8.2) объясняется тем, что накопление сигнала и шумов в МПИ идет не за все время Т„, а только лишь за его часть, т.е. имеют место потери сигнала. Большое значение имеет геометрический шум, возникающий из-за различий спектральной чувствительности, темповых токов и других параметров и характеристик отдельных элементов МПИ. По своей сути это пространственно изменяющийся шум, но он превращается во временнбй шум, когда осуществляется считывание сигналов с от- 176 Глава б.
Приемник излучения как звено оптико-электронного прибора дельных элементов МПИ (электронное сканирование). Бороться с таким видом шума достаточно сложно. Для этого нужно совершенствовать технологию производства МПИ, чистоту материалов, из которых изготовляется приемник. Для борьбы с ним в последние годы успешно используют методы электронной коррекции (одноточечной, двухточечной, нелинейной), зачастую реализуемые непосредственно в процессе работы МПИ, т.е. в реальном масштабе времени.
Иногда с целью уменьшения геометрического шума используют осреднение сигналов, снимаемых с нескольких соседних элементов в процессе принудительного сканирования изображения (колебання изображения). Для МПИ, работающих в средней и длинноволновой ИК областях спектра, обычно считают, что источником сигнала, который создает фототок, подвергающийся паразитной модуляции из-за неоднородности, является излучение фона, т.е. рассматривают пороговый режим работы МПИ. Материал фотослоя, технология изготовления приемника определяют некоторый минимальный уровень шума, называемый также шумовым пьедесталом. Среднее квадратическое значение этого уровня для современных зарубежных МПИ составляет 100 — 300 электронов на один элемент.
Эта составляющая шума обычно учитывается при приеме слабых сигналов. Для распространенных ПЗС-фотоприемников наряду с другими составляющими шума необходимо учитывать неэффективность переноса носителей заряда между ячейками ПЗС. Среднее квадратическое значение эквивалентного шумового заряда (в числе электронов) определяется как Ли,е = ~2(1-е)ти(и, +и ), где е — коэффициент эффективности переноса заряда от ячейки к ячейке; ги - число ячеек ПЗС, проходимых зарядовым пакетом; и, и и,— числа фотоэлектронов, составляющих полезный сигнал и фон соответственно.
Иногда при расчетах удобно представлять шумы МПИ в фотонной (квантовой) форме, т.е. в виде флуктуаций Ьи числа эффективных фотонов, попадающих на приемник. Считая основные составляющие Шума (РаДиационный или фотонный шУм Лил, тепловой шУм Ли,, шУ- моной пьедестал Ли„и шум вследствие неэффективности переноса для ПЗС) некоррелированными, можно записать следующее выражение для среднего квадратического шума на длине волны Х: 177 Ьпмпи= ~бам+1)п +бпш+г)п Й г г г где лп, = — ~'нТС+ 1Г пйТ я Контрольные еояросы Ю.Г.
Якушзнкоз. Теория и расчет оптико-электронных приборов т), — квантовая эффективность приемника; т„— спектральный коэффициент пропускания оптической системы; А,„— площадь входного зрачка оптической системы; тл — время пребьгвания изображения излучателя на приемнике; Ьжк — приведенная ко входному зрачку яркость излучателя, определяемая числом фотонов, приходящих на приемник в единицу времени (см.
5 3.5); аьг — мгновенное угловое поле приемника; е — заряд электрона; й — постоянная Больцмана; Т вЂ” температура чувствительного слоя приемника; С и  — емкость и сопротивление приемника. При приеме слабых сигналов в качестве излучателя обычно принимают фон, находящийся в угловом поле Лй. Для расчета бпмпи в каком-то спектральном диапазоне Ь)к либо проводят интегрирование приведенных выше формул — функций Л, либо берут какое-то среднее значение ).. 1. Дайте сравнительную характер зотину фотозлектрических и тепловых ПИ.
2. Зависит ли чувствительность ПИ от параметров цепи его включевия7 3. Какие виды шума наиболее характерны для фотозмиссиовных приемников, фоторезисторов, фотодиодоз,термсзлемеитов.болометров2 4. Как ксзффипиевт использования селективвого ПИ изменяется с ростом темпе. ратуры излучателя — черного тела, создающего поток„падвюшлй яа Ори емвик 2 5. В чем рааличие между зиергетическими и фоновыми характеристиками ПИ7 б. Нарисуйте функциональные (структурвые) схемы установок для измерения важнейших параметров и характеристик ПИ. 2. Какие параметры и характеристики ПИ изменяются (и как) при охлаждении чувствительного слоя2 8.
Зачем используются дифференциальные, мостовые, суммарно-ревностные схемы включения ПИ7 9. Назовите основные достоинства и недостатки ПИ на баас ПЗС. 10. Какие параметры и характеристики координатных ПИ зависят отосвещеивости, формы и размеров иаобрзжевив, создаваемого объективом на чувствительном слое приемвикау 11. Какие специфические шумы присущи одноалементиым и мвогозлемеитвым КПИ2 Глава 7. Анализаторы изображения оптико-электронных приборов Глава 7. АНАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ 7.1. Назначение анализаторов изображений и их классификация Анализатор изображения — это устройство, служащее для извлеченияя из оптического сигнала ввиде изображения наблюдаемого обэек. та ('ияи поля объектов) информации о параметрах или свойствах этого обэекта (или поля).
Чаще всего в ОЭП имеют место плоские изобрзжения, т.е. оптический сигнал описывается законом распределения освещенности, параметрами которого могут быть линейные координаты, длина волны излучения и время. Обычно анализ оптических изображений осуществляется путем )кепрерывной или дискретной выборки значений сигнала — потока или освещенности в отдельных точках (участках) плоскости изображений. Такая пространственная выборка чаще всего реализуется путем последовательного во времени опроса (определения значений потока или освещенности) этих точек, выполняемого при сканировании - последовательном просмотре плоскости изображений.
Сканирование реализуется с помощью как оптико-механических, так и электронных развертывающих устройств (см. гл. 8). Поэтому процесс анализа изображений часто неразрывно связан с процессом сканирования, для их выполнения используются одни и те же эле'кенты. В качестве таких элементов обычно служат оптические растРы - диафрагмы с определенным законом распределения прозрачных и непрозрачных участков, а также координатные одноэлементные и многоэлементные приемники излучения, о которых говорилось в э 6.6 и 6.7. Поскольку развертка изображения осуществляется последова- Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов тельно во времени, сигнал, приходящий на вход анализатора и являющийся функцией пространственных координат, после анализатора преобразуется в функцию времени. Далеко не всегда выявление закона распределения освещенности в изображении наблюдаемого илн исследуемого объекта является конечным результатом работы анализатора и ОЭП в целом.
Важно определить какие-либо параметры или свойства объекта, связанные с законом распределения освещенности в его изображении, илн изменения параметров или свойств объекта, однозначно связанные с изменением этого закона. Например, для нахождения координат объекта в пространстве предметов можно определить координаты его изображения в плоскости изображений — плоскости анализа. При перемещении объекта в угловом поле ОЭП закон распределения освещенности в плоскости анализа изменяется — смещается изображение, возможно перераспределение освещенности в изображении, изменяются размеры изображения и т.п.
Если объект точечный, то вместе с изменением положения кружка рассеяния, являющегося изображением объекта, изменяется положение энергетического центра тяжести кружка, определяющего направление на объект. Для выявления этих изменений и служит анализатор. Сигнал, параметры которого функционально связаны с параметрами наблюдаемого объекта, получается с помощью всего ОЭП или его системы первичной обработки информации, а не только с помощью анализатора изображения. Однако важнейшая роль в решении этой задачи принадлежит анализатору. Иногда анализатором называют устройство, обеспечивающее анализ углового поля, просматриваемого приборам, и выработку электрических сигналов, однозначно соответствующих координатам излучателя.
Такое определение относится скорее ко всему ОЭП, а не к отдельному его узлу или элементу, и ограничивает область применения анализаторов лишь измерениями координат. Часто в ОЭП функции анализатора выполняются элементом, который одновременно осуществляет и модуляцию оптического сигнала. Как правило, такими элементами являются растры. Здесь кратко рассмотрим особенности работы таких звеньев прежде всего в качестве анализаторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
