Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978) (1095910), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Таким образом, все приборы получения изображения без сканирования, такие, как полупроводниковые видиконы, электронно- оптические преобразователи и самосканирующие приборы с зарядовой связью (ПЗС), хорошо работающие в видимой области спектра, не будут работоспособными в инфракрасной области спектра без кардинального улучшения однородности и введения сложных электронных или оптико-электронных схем для вычитания фона.
Поскольку обнаружение или преобразование энергии в некогерентном приборе происходит до вычитания фона, чувствительность отдельных элементов приемника несканирующего прибора должна быть очень равномерной, чтобы не возникало паразиткой модуляции изображения. Рассмотрим, например, двумерную матрицу чувствительных элементов, заполняющих плоскость изображения и линейно преобразующих излучение в диапазоне длин волн 8 — 14 мкм в видимый свет.
Для фона с температурой 300 К проинтегрированная по спектру плотность потока излучения в указанном диапазоне в соответствии с вычислениями, проведенными в гл. 2, равна И'в — — 1,72 10 а Вт/сма, иамепение И' с температурой Т равно дИ//бТ = 2,62.10 " Вт/(см'.К) и радиационный контраст равен Ся = 0,74%/К. Пусть отдельные элементы матрицы разрешаются глазом, так что пространственно-частотная структура матрицы лежит внутри полосы пропускания глаза.
Предположим далее, что чувствительность элементов матрицы характеризуется среднеквадратичным разбросом а„относительно среднего значения В. Тогда до вычитания фона на изображение объекта однородной яркости с разностью температур ЛТ относительно фона, имеющего температуру 300 К и характеризуемого плотностью потока излучения И'в, будет наложена обусловленная вариациями чувствительности фиксированная картина шумов со среднеквадратичным значением о = овИгвй (8.35) ГЛАВА З 316 Сигнал изображения будет иметь среднее значение (8.36) Если затем произвести вычитание фона на уровне, эквивалентном плотности излучения И'в ( И'з, при условии, что вычитание не затрагивает фиксированную картину шума (т.
е. )г'з— — Хв ) ЗовИ'э), то отношение сигнала к шуму в точке изображения объекта равно С Я АГ (д%)дТ) (8.37) Ш о они'в В качестве примера рассмотрим вычитание фона, устраняющее все сигналы до уровня, эквивалентного 290 К, или Пв = 1,56 х х 10 ' Вт/см'. При малых оз и ЛТ порядка 1 К укааанное вьппе условие выполняется и С 2,62 10-з ш о„(1,22 1о .,) — — 0,0 152)ол.
Следовательно, если отношение сигнала к шуму должно быть равно 5, что является типичным для систем со сканированием при наблюдении объектов с ЬТ = 1 К, то среднеквадратичное значение вариаций чувствительности элементов не должно превышать 0,3%. В проведенном анализе не учитывалось, что пространственный шум в системе РЫК со сканированием на самом деле не фиксированный, а случайным образом меняется от кадра к кадру, вследствие чего отношение сигнала к шуму улучшается в г' Т,г' раз. Поскольку в рассмотренном выше гипотетическом приборе шумы из-за вариаций чувствительности элементов фиксированы во времени, то, чтобы получить такие же характеристики, как в сканирующей системе РЫК с частотой кадров Р = 30 Гц (Т, = 0,2 с), нужно улучшить равномерность элементов по чувствительности в ф' 6 раз, т.
е. требования к равномерности должны быть на уровне 0,12%. Таким образом, если даже прибор практически не имеет внутренних шумов, вариации чувствительности элементов создают фиксированную картину шумов, которая ухудшает характеристики прибора. Требования к равномерности элементов по чувствительности по проведенной выше оценке столь высоки, что в ближайшее время не приходится рассчитывать на их выполнение в двумерных мозаиках различных типов. Таким образом, мы не видим перспектив построения многоэлементных приемных устройств по типу глаза для наземных систем тепловидения.
Подставляя величины вместо И' в выведенные выше уравнения, читатель может сам ТИПЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ убедиться, что для приборов, реагирующих на поток фотонов, а не на поток излучения, требования к однородности будут еще более жесткими. В фотоприемных устройствах с кадровой разверткой также возникает проблема однородности, однако при использовании многоэлементных приемников с одномерными линейками чувствительных элементов легче достичь равномерности по чувствительности. Одномерность вариаций чувствительности, проявляющаяся на экране индикаторного устройства в виде шумов, позволяет наблюдателю с ббльшим успехом рассматривать изображение, не обращая внимания на шумы, чем при двумерной картине шумов. Если удастся решить проблему однородности, то фотоприемные устройства, непрерывно визирующие картину, будут иметь весьма существенное преимущество по сравнению с системами с кадровой разверткой.
Это связано с тем, что глаз суммирует во времени сигналы и среднеквадратичную величину шумов в точке за время Т„так что шумы системы с кадровой разверткой суммируются по своим среднеквадратичным значениям только в течеиие короткой части интервала Т„а в системах, непрерывно визирующих картину, шумы усредняются по среднеквадратичному значению все время.
Поэтому требования к тепловой чувствительности устройств, непрерывно визирующих картину, могут быть снижены на 1 — 2 порядка по сравнению с требованиями к системам с кадровой разверткой. По-видимому, лучшим способом оценки этого эффекта является математическое описание по Будрыкису И7) временнбй чувствительности глаза в частотной области с помощью приближенных выражений, например таких, как частотная характеристика фильтра нижних частот г = (г+ (2ПТ,))з] (8.38) Рассмотрим изображения точечного источника в системе с кадровой разверткой н системе, непрерывно визирующей объект.
Пусть обе системы имеют одинаковые функции рассеяния н одинаковые передаточные функции сигнала и не имеют фиксированных шумов, так что составляющие сигналов в обеих системах идептичны. Тогда изображепия, создаваемые двумя системами, будут различаться только составляющими шумов. Глаз будет осуществлять пространственную суммацию сигналов и шумов одинаково в обеих системах. Если далее предположить, что спектральная плотность мощности пространственных шумов на экране индикатора в обоих случаях различается только масштабным коэффициентом по амплитуде А, то явление пространственной суммацни не будет влиять на результаты сравнения двух систем. Определим теперь кажущуюся, нли воспринимаемую, временную эквивалентную шумовую полосу для каждой системы. ГЛАВА В 318 Пусть д' (1) — временная спектральная плотность мощности шумов на экране индикатора системы с кадровой рааверткой и А'«а (1) — та же характеристика для непрерывно внзирующей картину системы.
Тогда ширина воспринимаемой эквивалентной шумовой полосы для системы с кадровой рааверткой будет равна (8.39) а для непрерывно виаирующей картину системы й)' = ~ А'да (1) [1+ (2я Т 1)ю ' о1' о (8.40) Аа ) «ф (1) [1+ (2ЛТ 1)'1 ~ «1 о (8.41) Поскольку при одинаковом характере шумов величины тепловой чувствительности двух идентичных по другим параметрам систем относятся как корни квадратные из ширины полосы, можно использовать А как сравнительный параметр, эквивалентный шуму: ~1г )(«'(й«1 А =(Т,Р) (8.42) ) «'(1)1 [)+(2яТ.1)'! «1 о Смысл параметра А состоит в том, что объективно тепловая чувствительность непрерывно визирующей картину системы может быть в А раз хуже чувствительности аналогичной системы с кадровой разверткой.
Рассмотрим в качестве простого примера шум, который является белым до некоторой граничной частоты 1 1 2яТ~ ' Тогда ~"'=2 ( — ')'" (8.44) (, 2 2ЛТ,/ Если желательно, чтобы обе системы имели одинаковую чувствительность, нужно приравнять полосы по ширине и решить уравнение относительно А'. Тогда получим (1)ТЯ ) «'(0 «1 ТИПЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ 319 Для типичного многоэлементного приемного устройства с кадровой разверткой~, = 104 Гц и г = 30 Гц, так что А = 2 (10'!30)М2= = 36,4. 7 аким образом, некоторый критический параметр системы, непрерывно визирующей объект, может быть в 36 раз хуже, чем это обычно требуется. Например, соответственно может быть меньше площадь входного зрачка собирающей оптики, ниже Р* или выше шумы электронной схемы обработки сигнала.
Однако следует подчеркнуть, что эти преимущества могут быть реализованы только при достижении однородности по чувствительности. История попыток создания несканирующих систем с удовлетворительными характеристиками восходит по меньшей мере к 1929 г. С тех пор не удалось построить ни одного прибора, который по совокупности таких параметров, как скорость обновления информации, тепловая чувствительность и пространственное разрешение, находился бы на уровне, требуемом для получения в земных условиях изображения телевизионного качества, хотя предлагалось не менее 13 различных принципиальных схем построения приборов. Ниже приводится краткое описание семи типов приборов без сканирования.
8.7. Эвапорографы Первые тепловизионные системы, в которых использовался принцип эвапорографии, были описаны Черни!18[, Черни и Молле Н9[, Робинсоном и др. [20[, Мак-Даниэлем и Робинсоном [21[, Овребо и др. [22[, а также Синцовым [23[. Несмотря на различие конструкций, основной принцип построения всех эвапорографов одинаков: тонкая мембрана помещена в камеру с перенасыщенными парами масла, причем вся система находится в тепловом равновесии. В состоянии равновесия скорость испарения паров масла с поверхности мембраны и скорость их конденсации на этой поверхности равны. Однако, если с помощью оптической системы создать на мембране изображение тепловой картины, равновесие нарушается.
Если мембрана и пленка масла на ней достаточно тонкие, то при освещении пленки белым светом будут наблюдаться интерференцнонные цвета. Эта картина, обусловленная различной степенью испарения летучей жидкости с поверхности мембраны, будет соответствовать поглощению теплового излучения мембраной. В начале 50-х годов Фоши [24[ с сотрудниками предложили использовать свойства тонкой пленки в эвапорографе для получения теплового изображения другим путем. Они наносили жидкую пленку с малой вязкостью на тыльную сторону тонкой зачерненной мембраны, как в эвапорографе, но теперь пленка освещалась и рассматривалась через оптическую шлирен-систему. При этом становились видимыми деформации поверхности, вызванные зго ГЛАВА а изменениями поверхностного натяжения из-за локального нагревания пленки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
