Способ определения энергетической пороговой чувствительности многоканального сканирующего теплопеленгатора и тестовый объект для его осуществления
Владельцы патента RU 2269796:
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике в оптоэлектронике, а именно к измерению энергетических параметров многоканальных сканирующих теплопеленгаторов (ТП). Технический результат - повышение информативности, оперативности измерения, точности и автоматизации процесса измерения. Это достигнуто благодаря использованию в качестве тестового объекта матрицы равноярких точечных источников со специально выполненной топологией и соблюдению определенной последовательности взаимной ориентации тестового объекта и линейки фоточувствительных элементов ТП при проведении измерений, что сделало возможным получить характер распределения энергетической пороговой чувствительности для всех равновероятностных положений объекта в его поле зрения - интегральный параметр с учетом пеленгационной характеристики многоканального ТП. 2 н.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике в оптоэлектронике, а именно к измерению энергетических параметров многоканальных сканирующих теплопеленгаторов (ТП) (тепловизоров), и может быть использовано при создании и испытаниях широкого класса оптико-электронных приборов как наземного, так и аэрокосмического базирования на этапе контроля, энергетической калибровки и аттестации.
При испытании теплопеленгационных систем с целью оценки правильности выбранных схемных решений, качества изготовления и сборки и других задач одним из основных контролируемых параметров является энергетическая пороговая чувствительность.
Используемые в настоящее время методы и устройства для многоканальных систем, построенных на базе многоэлементных фотоприемных устройств (ФПУ) (тысячи фоточувствительных элементов и более), чрезвычайно трудоемки и недостаточно информативны.
Известны технические решения измерения энергетической пороговой чувствительности, основанные на измерении величины сигнала на выходе ФПУ при формировании на его фоточувствительных элементах (ФЧЭ) модулированной во времени и равномерной по площади облученности. Например, способ измерения энергетической чувствительности (см. ГОСТ 17 772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определение характеристик. Издательство стандартов. 1988 г.), включающий формирование облученности точечного источника на площадке ФЧЭ, преобразование светового сигнала в электрический, измерение сигнала, нахождение энергетической пороговой чувствительности.
Для сравнения между собой различных ФПУ подобный метод измерения является оправданным. Однако при анализе работоспособности теплопеленгатора, когда требуется определить дальность действия и энергетическую пороговую чувствительность прибора в целом, необходимо проводить измерения при импульсной засветке элементов в виде сканирующего точечного изображения. Поканальные измерения с использованием точечного источника - процедура длительная, трудоемкая и для многоканальных ТП практически малореализуемая.
Известен тестовый объект для реализации этого способа [см. ГОСТ 17 772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определение характеристик. Издательство стандартов. 1988 г.], включающий точечный источник излучения, модулятор, формирующую оптическую систему. Так же, как и метод, который реализует это устройство, оно для многоэлементных теплопеленгаторов практически не применимо из-за длительности и трудоемкости процедуры измерения.
Известны технические решения измерения энергетической пороговой чувствительности, где в качестве тестового изображения сканирующего ТП используется щелевой источник. Например, выбранный нами в качестве прототипа способ измерения энергетической пороговой чувствительности многоканального сканирующего теплопеленгатора [Известия ВУЗов "Приборостроение", 1992, №1-2, с.70-77. Сравнительный анализ методов измерения параметров ФПУ с помощью точечного и щелевого излучателей. В.Б.Воронич, Э.В.Шаркова, М.П.Яковлева], включающий формирование облученности на входном зрачке ТП от тестового объекта в виде щелевой диафрагмы, сопряжение изображения щелевого источника с линейкой ФЧЭ, преобразование светового сигнала в электрический, измерение величины сигналов и шума, вычисление значения энергетической пороговой чувствительности. Использование щелевого тестового объекта значительно ускоряет процесс измерений, делает реализуемым процесс его автоматизации, однако позволяет измерить только относительные максимальные значения и без учета пеленгационной характеристики.
Известен тестовый объект для реализации этого способа [Известия ВУЗов "Приборостроение", 1992, №1-2, с.70-71. Сравнительный анализ методов измерения параметров ФПУ с помощью точечного и щелевого излучателей. В.Б.Воронич, Э.В.Шаркова, М.П.Яковлева], включающий источник излучения в виде щелевого излучателя, размещенного в фокальной плоскости коллиматорного объектива, обеспечивающего формирование известной облученности на входном зрачке ТП и сопряжение изображения щелевого источника с линейкой ФЧЭ. Такой тестовый объект не позволяет определить распределение энергетической пороговой чувствительности с учетом пеленгационной характеристики и измерить ее абсолютные значения для точечного объекта наблюдения.
Предложенная нами группа изобретений: "Способ определения энергетической пороговой чувствительности многоканального сканирующего теплопеленгатора и тестовый объект для его осуществления" - основана на новом, отличном от "поканального" и "щелевого", методе, обеспечивающем измерение как величины одновременно большого количества чувствительных элементов ФПУ, так и характера распределения энергетической пороговой чувствительности для равновероятного расположения объекта в поле зрения многоканального ТП.
Такой технический результат получен нами, когда
- в способе определения энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоканального теплопеленгатора, включающем формирование облученности на входном зрачке теплопеленгатора от тестового объекта, сопряжение изображения тестового объекта с плоскостью линейки фоточувствительных элементов фотоприемного устройства, преобразование светового сигнала в электрический, измерение величины сигналов и шума, нахождение среднего значения сигнала и шума, нахождение значения энергетической пороговой чувствительности, новым является то, что облученность на входном зрачке теплопеленгатора формируют совокупностью размещенных в поле его обзора точечных источников в виде матрицы с регулярной структурой столбцов и строк, у которой направление столбцов совпадает с направлением линейки фоточувствительных элементов фотоприемного устройства, а размещение точечных источников в столбце и строке обеспечивает при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению столбцов, регистрацию фотоприемным устройством распределения энергетической пороговой чувствительности для всех положений точечных источников относительно центра фоточувствительного элемента, для измерения величины сигналов совмещают четные площадки линейки фотоприемного устройства центрично относительно первого столбца матрицы точечных источников тестового объекта, снимают и заносят в память ЭВМ сигналы с нечетных фоточувствительных элементов, совмещают нечетные фоточувствительные элементы линейки центрично относительно первого столбца матрицы точечных источников тестового объекта, снимают и заносят в память ЭВМ сигналы с четных фоточувствительных элементов, по этим данным рассчитывают среднее значение сигналов каждого фоточувствительного элемента и для каждого положения точечного источника относительно центра фоточувствительного элемента, энергетическую пороговую чувствительность каждого фоточувствительного элемента для всех заданных тестовым объектом положений точечного источника излучения относительно центра фоточувствительного элемента, математическое ожидание энергетической пороговой чувствительности каждого фоточувствительного элемента и для всей совокупности фоточувствительных элементов при условии равновероятностного расположения точечного источника излучения относительно центра фоточувствительного элемента и дисперсию энергетической пороговой чувствительности всей совокупности фоточувствительных элементов, и по этим показателям судят об энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоэлементного теплопеленгатора;
- в тестовом объекте, включающем источник излучения и формирующую оптику, новым является то, что источник излучения выполнен в виде матрицы регулярной структуры, равнояркие точечные источники в столбцах которой в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, выполнены с шагом d=2а, где а - шаг фоточувствительных элементов в линейке фотоприемного устройства, а шаг t источников в строке равен t≥Vτ, где V - скорость сканирования, τ - время переходных процессов фотоприемного устройства, при этом источники в строке смещены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, на величину Δа=2а t/D, где D - размер линейного поля обзора теплопеленгатора.
Нами было обосновано теоретически и подтверждено экспериментально, что при формировании облученности на входном зрачке с использованием тестового объекта в виде матрицы точечных источников со специально выполненной топологией удается обеспечить на выходе контролируемых фоточувствительных элементов последовательность независимых сигнальных откликов, свободных от взаимного влияния, характеризующих энергетическую пороговую чувствительность элементов для всего диапазона взаимных положений точечного объекта относительно центра фоточувствительного элемента, что сделало возможным получить характер распределения энергетической пороговой чувствительности ТП для всех равновероятностных положений объекта в его поле зрения ТП - интегральный параметр с учетом пеленгационной характеристики многоканального ТП.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующая способ определения энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоэлементного ТП, включающая коллиматорный объектив 1, тестовый объект 2 с заданным распределением точечных источников 3, объектив 4 ТП, сканер 5, ФПУ 6, включающее линейку 7 фоточувствительных элементов 8, электронный блок 9, блок 10 обработки сигналов.
На фиг.2 представлено изображение тестового объекта 2 в плоскости линейки 7, где прозрачные участки имитируют точечные объекты 3 на непрозрачном фоне 11, s-й элемент 12 ФЧЭ, s+1 элемент 13 ФЧЭ, где s=1...m, s - номер фоточувствительных элементов в линейке, m - число фоточувствительных элементов линейки, а - шаг фоточувствительных элементов в линейке ФПУ, t - расстояние между точечными источниками в строке,
I-I - столбец матрицы точечных источников,
II-II - строка матрицы точечных источников,
А - направление смещения линейки ФЧЭ при сканировании.
На фиг.3 представлены кривые распределения плотности вероятности энергетической пороговой чувствительности ТП, полученные экспериментально разными способами, где кривая 14 - распределение плотности вероятности энергетической пороговой чувствительности ТП, измеренное предложенным способом, кривая 15 - распределение плотности вероятности энергетической чувствительности ТП, измеренное способом прототипа.
Способ определения энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоэлементного ТП и тестовый объект для его реализации работают следующим образом.
Тестовый объект 2 (фиг.1) обеспечивает формирование распределения точечных объектов 3 в фокальной плоскости коллиматорного объектива 1. Коллиматорный объектив вместе с объективом 4 ТП проецируют изображение матрицы точечных источников в плоскость линейки 7 ФЧЭ. Изображение точечных источников в плоскости линейки ФЧЭ (фиг.2) имеет регулярную структуру столбцов (I-I) и строк (II-II). Благодаря тому, что направление столбцов совмещено с направлением линейки ФЧЭ, а перед началом измерений нечетные (четные) ФЧЭ юстируются центрично с первым столбцом матрицы источников и шаг источников в столбцах равен 2а, где а - шаг ФЧЭ, то взаимное влияние источников на соседние ФЧЭ отсутствует (исключается возможность попадания излучения от точечного источника одновременно на два соседних элемента). Минимальное расстояние между точечными источниками в строках t≥Vτ, где V - скорость сканирования ТП, τ - время переходных процессов ФПУ, обеспечивает независимость сигнальных откликов, формируемых на выходе ФЧЭ при сканировании. При проведении измерений ТП юстируют относительно тестового объекта таким образом, что нечетные площадки линейки ФЧЭ выставляют центрично первого столбца маски (например, по максимуму сигнала с нечетных площадок). Включают сканирование и снимают на выходе четных ФЧЭ сигналы, вырабатываемые при пересечении ими точечных источников в строке, которые смещены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, на дискретную величину Δа=2а t/D в пределах ±а относительно центра площадки, где D - размер линейного поля обзора ТП. Благодаря этому величина этих сигналов характеризует энергетическую пороговую чувствительность четных площадок для всего диапазона взаимных положений точечного источника относительно центра площадки, т.е. характер распределения энергетической пороговой чувствительности с учетом пеленгационной характеристики ТП. Затем измерение повторяют для нечетных площадок (при этом четные площадки предварительно юстируют центрично относительно точечных источников первого столбца матрицы). Полученные значения заносят в память ЭВМ и по известным формулам рассчитываются значения энергетической пороговой чувствительности ТП, включая
- среднее значение сигнала за N сканов для каждого ФЧЭ и для каждого положения точечного источника относительно центра ФЧЭ по формуле
где i - номер скана, i=1; 2...N,
N - число периодов сканирования,
k - номер столбца (номер точечного источника в строке), k=1; 2...n;
n - количество столбцов в матрице источников,
s - номер чувствительного элемента; s=1; 2...m,
m - количество фоточувствительных элементов;
- максимальное значение энергетической пороговой чувствительности для каждого фоточувствительного элемента по формуле
где Р - облученность на входном зрачке ТП от точечного источника излучения;
σs - среднее квадратичное значение шума s-ой чувствительной площадки;
- максимальное значение сигнала для s-ой чувствительной площадки, соответствующее условиям совмещения точечного источника излучения с ее центром;
- энергетическую пороговую чувствительность для каждого чувствительного элемента для всех заданных тестовым объектом положений точечного источника излучения относительно центра чувствительного элемента по формуле
- математическое ожидание энергетической пороговой чувствительности для каждого чувствительного элемента при условии равновероятного расположения точечного источника излучения относительно центра чувствительного элемента по формуле
- математическое ожидание энергетической пороговой чувствительности всей совокупности чувствительных элементов для условия равновероятного расположения точечного источника излучения в любой точке поля зрения ТП по формуле
- дисперсию энергетической пороговой чувствительности для всей совокупности чувствительных элементов для условия равновероятного расположения точечного источника излучения в любой точке поля зрения ТП по формуле:
Пример конкретного исполнения.
На нашем предприятии был изготовлен стенд для энергетической калибровки теплопеленгаторов, реализующий предлагаемую группу изобретений.
С использованием современных компьютерных технологий вывода изображения на полиэстеровые формы (пленки) был изготовлен и аттестован тестовый объект в виде маски, представляющей собой непрозрачное поле (180·100 мм), на котором расположены прозрачные участки в виде окружностей диаметром 200 мкм, имитирующие точечные объекты. Точечные объекты в маске располагали в направлении, перпендикулярном сканированию линейки ФПУ теплопеленгатора. Каждая из таких строк предназначена для имитации произвольного расположения точечного источника относительно центра одного из элементов фотоприемного устройства. Строка состоит из 12 точечных объектов, расположенных в направлении сканирования прибора с шагом 14 мм (величину шага определили, зная продолжительность переходных процессов элемента ФПУ и скорость сканирования), точечные объекты одной строки были смещены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, на величину 100 мкм. Шаг точечных источников в столбце (шаг строк) с учетом шага ФЧЭ в ТП 1,05 мм (в плоскости тестового объекта) равен 2.1 мм, что позволяет устранить возможность одновременного попадания изображения точечного объекта маски на два элемента ФПУ. В изготовленном тестовом объекте количество рядов составило 47 шт., т.е. при помощи такой маски можно проводить измерения параметров одновременно для 47 чувствительных элементов ФПУ.
Равнояркость точечных излучателей тестового объекта достигалась использованием специального осветительного узла. Узел осветителя включал в себя фотометрический шар с выходным окном 80 мм и конденсор, обеспечивающие высокоравномерную (не хуже 95%) засветку поля маски. Освещенность в плоскости маски регулировали количеством включенных ламп фотометрического шара, а также при помощи набора нейтральных светофильтров. Маска находилась в фокальной плоскости зеркального объектива коллиматора (фокусное расстояние 10 метров, диаметр 1 метр), который проецирует изображение маски на бесконечность (можно на любое заданное конечное расстояние, с которого ведет наблюдение теплопеленгатор).
В состав испытательного стенда также входит автоматизированная система сбора и обработки информации, состоящая из: электронного блока, ЭВМ и программного обеспечения.
В ходе испытаний были проведены измерения энергетической чувствительности прибора по способу прототипа с использованием щелевого источника и предполагаемым авторами способом. Результаты измерений распределений плотности вероятности энергетической пороговой чувствительности приведены на фиг.3. Полученные результаты (см. кривые 14, 15) наглядно иллюстрируют, что информация о энергетической пороговой чувствительности ТП, полученная предлагаемым способом, кривая 14, обладает существенно более высокой информативностью, так как включает значения энергетической пороговой чувствительности для всех равновероятностных положений точечного объекта в поле зрения теплопеленгатора, в отличие от "щелевого" способа, где информация, кривая 15, ограничена сведениями о максимальном значении энергетической чувствительности для протяженного "щелевого" источника.
Таким образом, предложенный способ и тестовый объект для его реализации позволяют существенно повысить информативность полученных при измерении результатов, оперативность процесса измерений и его точность.
1. Способ определения энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоканального теплопеленгатора, включающий формирование облученности на входном зрачке теплопеленгатора от тестового объекта, сопряжение изображения тестового объекта с плоскостью линейки чувствительных элементов фотоприемного устройства, преобразование светового сигнала в электрический, измерение величины сигналов и шума, нахождение среднего значения сигнала и шума, нахождение значения энергетической пороговой чувствительности, отличающийся тем, что облученность на входном зрачке теплопеленгатора формируют совокупностью размещенных в поле его обзора точечных источников в виде матрицы с регулярной структурой столбцов и строк, у которой направление столбцов совпадает с направлением линейки фоточувствительных элементов фотоприемного устройства, а размещение точечных источников в столбце и строке обеспечивает при сканировании в направлении, перпендикулярном направлению столбцов, регистрацию фотоприемным устройством распределения энергетической пороговой чувствительности для всех положений точечных источников относительно центра фоточувствительного элемента, для измерения величины сигналов совмещают четные площадки линейки фотоприемного устройства центрично относительно первого столбца матрицы точечных источников тестового объекта, снимают и заносят в память ЭВМ сигналы с нечетных фоточувствительных элементов, совмещают нечетные фоточувствительные элементы линейки центрично относительно первого столбца матрицы точечных источников тестового объекта, снимают и заносят в память ЭВМ сигналы с четных фоточувствительных элементов, по этим данным рассчитывают среднее значение сигналов каждого фоточувствительного элемента и для каждого положения точечного источника относительно центра фоточувствительного элемента, энергетическую пороговую чувствительность каждого фоточувствительного элемента для всех заданных тестовым объектом положений точечного источника излучения относительно центра фоточувствительного элемента, математическое ожидание энергетической пороговой чувствительности каждого фоточувствительного элемента и для всей совокупности фоточувствительных элементов при условии равновероятностного расположения точечного источника излучения относительно центра фоточувствительного элемента и дисперсию энергетической пороговой чувствительности всей совокупности фоточувствительных элементов и по этим показателям судят об энергетической пороговой чувствительности сканирующего многоэлементного теплопеленгатора.
2. Тестовый объект, включающий источник излучения и формирующую оптику, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде матрицы регулярной структуры, равнояркие точечные источники в столбцах которой в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, выполнены с шагом d=2a, где а - шаг фоточувствительных элементов в линейке фотоприемного устройства, а шаг t источников в строке равен t≥Vτ, где V - скорость сканирования, τ - время переходных процессов фотоприемного устройства, при этом источники в строке смещены относительно друг друга в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, на величину Δа=2а t/D, где D - размер линейного поля обзора теплопеленгатора.
