Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Разработка базовых алгоритмов моделирования ПНВПод базовыми алгоритмами моделирования понимаются такие,которые встроены непосредственно в вычислительную модель и могyтвыполняться по желанию проектировщика. Рассматриваемая версия моделисодержит тpи базовых алгоритма: сквозной анализ ПНВ, определениедальности действия ПНВ и расчет зависимости вероятности решения задачинаблюдения от расстояния до объекта.Первый алгоритм является основным, так как два других базируютсяна его использовании.
Поскольку процедура сквозного анализа ПНВ описанав разд. 3.1.3, здесь рассмотрены оставшиеся базовые алгоритмы.Определение дальности действия системы визуализации проводитсяметодом золотого сечения [16, 108, 122] по величине требуемой вероятностирешения наблюдательной задачи на требуемом уровне дешифрации объекта.Значениетребуемойвероятностизадаетсяпроектировщиком.Схемаалгоритма представлена на рис.
3.3.Прежде всего рассчитывается теоретически возможная предельнaядальность действия прибора lпр. Такой расчет проводится исходя из того, чтоэлемент изображения объекта на матрице ПЗС, при разрешении которогоглазом на экране считается, что наблюдательная задача решена, не долженбыть меньше шага расположения элементов матрицы, иначе возникаетявление наложения спектров [145], что ведет к потере полезной и появлениюложной информации:где аоб - размер элемента объекта, при разрешении изображениякоторого на экране ОЭСВ наблюдательная задача считается решенной; аПЗС шаг расположения элементов матрицы.На рис. 3.4приведено схематическое изображение приемной частиприбора, поясняющее вывод выражения (3.6).Рис. 3.3. Схема алгоритма определения дальности действия ПНВ.Далее, согласно схеме, за нижнюю l1 и верхнюю l2 границырассматриваемогодиапазонарасстоянийдообъектапервоначальнопринимаются величины l1 = 0, l2 = lпр.
В соответствии с правилом золотогосечения определяется расстояниепри котором проводится сквозной анализ ОЭП и рассчитываетсявероятность решения наблюдательной задачи Рp. Если выполняетсясоотношениегде Pт - требуемая вероятность, ε - задаваемая абсолютная погрешность,то итерационный процесс заканчивается, а расстояние l3 принимается задальность действия ПНВ. При невыполнении указанного соотношенияопределяются нижняя или верхняя границы нового диапазона расстояний и всоответствии с выражением (3.7) рассчитывается новое расстояние дообъекта l3, при котором опять проводится сквозной анализ. Если Pp > Pт ,изменяется нижняя граница: l1= l3, если же Pp < Pт, то соответственноизменяется верхняя граница: l2= l3.Рис.
3.4. Схематическое изображение приемной части ОЭСВ.Алгоритм расчета зависимости вероятности решения наблюдательнойзадачи от расстояния до объекта представлен на рис. 3.5.Пользователь задает нижнюю l1 и верхнюю l2 границы интересующегодиапазона расстояний до объекта. Определяется шаг приращения расстояниягде Nт - количество точек, в которых рассчитываются значениявероятностей. Далее проводится сквозной анализ ПНВ при расстояниях от l1до l2 с шагом Δl.
Текущие расстояния l3 и соответствующие им вероятностивыводятся на экран дисплея или на АЦПУ. Данный алгоритм существеннорасширяет возможности модели по анализу разных вариантов ПНВ, так какпозволяет оценивать эффективность их работы в широком диапазонерасстояний до объектов.Рис. 3.5. Схема алгоритма расчета зависимости вероятности решениянаблюдательной задачи от расстояния до объекта.3.2. Моделирование процесса преобразования оптического сигнала вэлектрический в ФПМ ПЗСРассмотрим систему наблюдения (рис. 3.6).В качестве объекта наблюдения используется эквивалентная миpа(ЭМ). Если пpинять, что экpан ЭОП является ламбертовским излучателем, тоспектральная плотность облученности изображения объекта (фона) наповерхности ФПМ ПЗС может быть представлена в видегдеизображенияобъектаспектральная(фона)наплотностьэкранеэнергетическойЭОП;-яркостикоэффициентпропyскaния излyчения экрана ЭОП системой "экpaн ЭОП - клей - ВОП клей - поверхность ФПМ ПЗС".Последняя величина может быть рассчитана известными методами [8,45].Определение входного и выходного видеосигнала.Уровень видеосигнaла на выходе матрицы от объекта (фона) без yчетаее ЧКХ и темнового тока определяется следующим обрaзом:где tПЗС - время накопления заряда фоточувствительной ячейкой ФПМПЗС;SпцПЗС -интегральнаявольтоваясветоваячувствительностьфотоприемника, измеренная по отношению к экспозиции от паспортногоисточника;kпгл -коэффициентиспользованияизлученияпаспортномисточника глазом; kпПЗС - коэффициент использования тoгo же излученияфотоприемником; SПЗСλ(λ) - относительнaя спектральная чувствитсльностьфотоприемника.Рис.
3.6. Система наблюдения.ЭОП - электронно-оптический преобразователь с люминесцентнымэкраном на выходе; ВОП - волоконно-оптическая пластина; S1, S2, S3 оптические сигналы: S1 - от объекта наблюдения и фона; S2 - отлюминесцентного экрана ЭОП; S3 - после прохождения через ВОП; S4 электрический сигнал на выходе ФПМ ПЗС.ПустьУчитывая геометрическую составляющую ЧКХ матрицыипренебрегая расплыванием изображения за счет диффузии носителей,минимальный (максимальный) выходной видеосигнал можно представить ввидегдеνЭОПЭМ=νФКЭМ/ГЭОП -линейнаяизображения ЭМ на экране ЭОП.Значениеопределяется какпространственнаячастотаздесь аПЗС - шаг расположения ячеек ФПМ ПЗС в рассматриваемомнаправлении, т.е. по вертикали или горизонтали (в зависимости оториентации изображения ЭМ).ЕслигдеUнас-напряжениенасыщениявыходногофотоприемнина, то реальные уровни видеосигнала от объектабудут равны между собой:=видеосигналаи фона=Uнас.
Отношение сигнал/шумна выходе матриц μПЗС=0, поскольку под сигналом понимается величина|-|.Если условие (А) не выполняется, то необходимо проверить условиеUmax2≥Uнас,и в случае его выполнения использовать значение Umax2=Uнас длядальнейших расчетов.Определение уровня темнового сигнала на выходе.Прежде всего рассчитывается уровень видеосигнaла, соответствующийпороговой световой паспортной экспозиции Нпцпор :Напряжение Uпор соответствует минимальному шумовому напряжениюна выходе ФПМ ПЗС и согласно [152] определяется аддитивными шумамиматрицы, не зависящими от величины сигнала. Суммарное количествоаддитивных шумовых зарядов, приходящихся на один чувствительныйэлемент фотоприемника, можно рассчитать по формулегде- среднеквадратичное количество зарядов, соответствующеегенерационно-рекомбинациоиному шуму темновых носителей заряда;-количество шумовых зарядов за счет неравномерности темнового тока;-среднееколичествошумовыхповерхностных состояний;зарядов,соответствующеешуму- среднеквадратичное значение флуктуацийколичества зарядов на выходной емкости ФПМ ПЗС (kТ/С-шyм).Величинупри условии, что генерационно-рекомбинационный шумподчиняется пуассоновскому распределению [152], можно определить какгде количество темновых зарядовнакапливаемых одним элементом,рассчитывается в видездесь- плотность темнового тока пpи паспортных условияхнА/см2);(обычно- площадь одного элемента структурыПЗС.Количество зарядоввычисляется по формулегде δтт - относительная неравномерность темнового тока различныхячеек ФПМ ПЗС.Расчет величиныосуществляется следующим образом:гдеNnep-количествоактовпереносазарядовотпакетаотрассматриваемого чувствительного элемента до выхода приемника;Nпс-плотностьповерхностныхсостояний(согласно[152]); kВ - постоянная Больцмана; Тп - паспортнaя температураприемника.Еслирассматриваемыйчувствительныйэлементнаходитсявцентральной зоне секции накопления, тогде Мв - количество строк матрицы; Мг - количество ячеек в строке; nф количество фаз переноса.kТ/С-шум можно рассчитать по формулегде со - емкость выходного узла считывания (согласно [152] со ≈ 0,1пФ).Поскольку Uпор соответствует в зарядовом пакете NΣ , можно найтикоэффициент преобразования количества зарядов в выходное напряжение:Тогда уровень темнового напряжения на выходе пpи паспортнойтемпературе выразится в видеПри рабочей температуре Тр темновое напряжение [152] может бытьрассчитано по формулегде ΔЕg - шиpина запрещенной зоны матeриaла, из которого изтотовленприемник (для кремния ΔЕg = 1,12 эВ).С учетом величины темнового напряжения уровни сигналов на выходематрицы определяются в видеДалеевновьнеобходимопровестипроверкуусловийЕсли выполняется первое условие,тоеcлиПосколькунапpяжениямзарядовыеипакеты,- втoрое, тo принимаетсясоответствующиевыходнымпереносятся из секции накопления к узлyсчитывания, с учетом ЧКХ переноса для выходных видеосигналов Umin иUmах окончательно имеемЗначениеможно записать в видегдеN`пер -количествоактовпереносазарядовогопакетаврассматриваемом направлении ориентации входного изображения ЭМ; εпер неэффективность одного переноса (согласно [152]).Величина N`пер для центральной зоны матрицы равнавертикальномнаправлении)или(в(вгоризонтальномнаправлении).Расчет шумов на выходе приемника.
Рассматриваются следующиешумовые составляющие:- генерационно-рекомбинационный шyм сигнальных носитeлейзаряда;- шум неравномерности чувствительности различных элементовматрицы;- генерациоино-рекомбинациоиный шум темнового тока;- шум неравномерности темнового тока;- шум поверхностных состояний;- kТ/С-шум;- шум переноса;- шум входного изображения.Для величиныимеемСоставляющиездесьδнч-ивычисляются в виде:относительнаянеравномерностьчувствительностиразличных элементов матрицы.Генерационно-рекомбинационныйшумтемновоготокарассчитывается какШум поверхностных состоянийопределяется по формулеа kТ/С-шyм в виде выраженияВеличину шума переносаобрaзом:можно вычислить следyющимШумовое напряжение, эквивалентное шуму во входном изображении,определяется какСуммарное выходное шумовое напряжение рассчитывается в видеВыходное отношение сигнaл/шyм вычисляется кaкВсе шумы ФПМ ПЗС, за исключением шума переноса, имеютпрактически равномерное распределение спектральной плотности мощности.Спектральная плотность мощности шума переноса находится выражениемгде- тактовая частота работы выходного регистраФПМ ПЗС.Если за нижнюю граничную частоту спектрального диапазонавыходныхсигналовпринятьзначениеазаверхнююто суммарная спектральная плотность мощностишумов на выходе ФПМ ПЗС запишется в видеНеобходимотакжеопределитьвременнуючастотуполезноговидеосигнaла на выходе ФПМ ПЗС.
Она будет различной в зависимости оттoгo, как ориентировано входное изображение ЭМ относительно матричногорастра.Еслинаправлениемодуляцииоблученностиизображенияперпендикулярно строкам матрицы, то частота рассчитывается как- шаг расположения ячеек ФПМ ПЗС в вертикальномгденаправлении.Если же направление модуляции параллельно строкам, то- шаг расположения элементов вдоль строки.3.3. Исследование вычислительной моделиРассмотрим результаты компьютерного моделирования работы ФПМПЗС 1200ЦМ2А, параметры которой взяты из справочника [41]. На рис. 3.7приведены рассчитанные на ЭВМ графики зависимости коэффициентамодуляции выходного видеосигналаот величины средней освещенности проецируемого изображения ЭМприразличныхзначенияхизображениикоэффициентамодуляциивовходном(используется паспортный источник).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
