Научный архив: статьи

Рассматривается принципиальное устройство БИС считывания сканирующих фотомодулей (ФМ) инфракрасного диапазона (ИК) с режимом временной задержки и накопления (ВЗН). Обозначена роль и влияние рекурсивного фильтра высоких частот (ФВЧ) во входных ячейках (ВЯ) БИС считывания на пороговые характеристики ФМ. Приведено математическое описание цифровой коррекции граничной частоты ФВЧ во входной ячейке. Описано устройство и принцип работы обучаемого классификатора, способного разделять ВЗН-каналы на группы по спектральной плотности мощности шума (СПМШ). Проведена коррекция граничной частоты ФВЧ ВЯ БИС считывания для большого количества ВЗН-каналов с разной СПМШ. Рассчитана эффективность применения этой коррекции для увеличения отношения сигнал/шум с учётом проведения стандартной для сканирующих ИК ФМ внутрикадровой обработки. Установлено, что пороговые характеристики без проведения оконной фильтрации в среднем улучшаются на 2,5 %, а с её проведением – всего на 1 %. Отмечено, что при большом количестве ВЗН-каналов с низкочастотным шумом коррекция может ухудшить пороговые характеристики на 1,5 %.

В данной работе представлена классификация и проведен сравнительный анализ топологий матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) многорядных матричных фотоприемных устройств (ФПУ) с режимом временной задержки и накопления (ВЗН) для инфракрасных (ИК) односпектральных оптико-электронных систем (ОЭС) с линейным однокоординатным сканированием. Предложен новый тип топологий МФЧЭ с «вложенными субматрицами», позволяющий снизить требования к юстировке ОЭС с одновременным обеспечением высоких пороговых характеристик. Рассчитаны требования к точности юстировки ОЭС со сканированием в зависимости от типа и параметров топологии МФЧЭ. Предложены топология МФЧЭ и новый способ комбинированного ВЗНсуммирования, позволяющие улучшить пороговые характеристики ОЭС на основе аналоговых КМОП-регистров ВЗН при сохранении суммарной емкости схемы ВЗН-суммирования. Предложен метод расчета требований к устройству, сканирующему ОЭС при использовании ФПУ с многосубматричной топологией МФЧЭ. Рассчитаны амплитуды сигналов на выходе ОЭС после процедуры согласованного суммирования в зависимости от степени рассинхронизации процессов сканирования и ВЗН-суммирования.

Представлен аналитический метод расчета параметров инфракрасного (ИК) фотоприемного устройства с заданной топологией матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ), осуществляющего регистрацию малоразмерных объектов в режиме линейного сканирования. Метод позволяет оценить отношение сигнал/шум и пространственное разрешение ИК фотоприемного устройства (ФПУ) с режимом временной задержки и накопления (ВЗН) с учетом функции рассеяния точки оптической системы, пространственного распределения чувствительности фоточувствительных элементов (ФЧЭ), параметров дискретизации, ВЗН-суммирования и накопления, значений дробового шума и шума считывания, согласованного суммирования выходных сигналов ИК ФПУ. Проведена оценка пространственного разрешения ИК ФПУ в направлении сканирования, а также в направлении, ортогональном сканированию по двум малоразмерным объектам и по гармоническим мирам в зависимости от параметров топологии МФЧЭ. Найдены оптимальные размеры ФЧЭ (обеспечивающие максимальное отношение сигнал/шум, пространственное разрешение системы при этом не учитывалось) при регистрации пятна излучения в плоскости МФЧЭ, расположенного в максимуме/минимуме пеленгационной характеристики, с учетом/без учета шума считывания, с учетом/без учета дополнительной пространственной обработки выходных сигналов.

Представлена математическая модель оптико-электронного тракта крупноформатного инфракрасного (ИК) фотоприемного устройства с режимом временной задержки и накопления (ВЗН), предназначенного для регистрации малоразмерных объектов. Модель позволяет получать изображения на выходе сканирующего фотоприемного устройства большого формата (с количеством каналов ВЗН, большим 10000) и прогнозировать параметры приборов с учетом погрешностей установки отдельных фотоприемных модулей, паразитной засветки фоточувствительного слоя, шумов оптико-электронного тракта, взаимного влияния сигналов внутри ФПУ, разброса чувствительности и темновых токов фоточувствительных элементов (ФЧЭ), недостатков схемы ВЗН-суммирования и т. д. В модели также реализована возможность моделирования сигналов в режиме с адаптивным временем накопления. Модель ИК ФПУ состоит из четырех основных частей: аналитической модели облученности (АМО), позволяющей рассчитать распределение облученности в плоскости фотослоя от сцены и элементов конструкции ФПУ; аналитической модели сигналов (АМС), в рамках которой оптико-электронный тракт ФПУ представлен произведением частотных передаточных функций отдельных линейных процессов; имитационной модели сигналов (ИМС), являющейся более общей (чем АМС) моделью и содержащей подробное описание отдельных модулей реальных ФПУ; аналитической модели шумов (АМШ), позволяющей рассчитать шумы ИК ФПУ с различной схемотехникой большой интегральной схемы (БИС) считывания при известных фототоках и темновых токах каждого из ФЧЭ. В данной статье представлена первая часть работы – описание математического аппарата моделей.

Рассмотрен метод установки заданной облученности, создаваемой моделью черного тела (МЧТ) в произвольной плоскости. Метод основан на использовании нового параметра – коэффициента излучения МЧТ. Коэффициент излучения МЧТ – это отношение потоков излучения (квантового или энергетического), исходящих соответственно от излучающей площадки и от бесконечно большой излучающей плоскости с той же температурой и степенью черноты, но падающих в заданную точку параллельной плоскости. Данный параметр позволяет просто и корректно определить величину облученности в заданной точке плоскости, отстоящей от МЧТ на заданном расстоянии. МЧТ может иметь излучающую площадку с любой заданной формой, размерами, температурой и степенью черноты. Приведен вывод аналитических выражений коэффициента излучения и облученности, создаваемой МЧТ. Рассмотрены облученности, создаваемые МЧТ с круглыми и квадратными диафрагмами и распределения облученности по площади. Показано, что отличие облученностей от МЧТ с равновеликими круглой и квадратной излучающими площадками близко к одному проценту. На основе предложенного метода расчета облученности предложен метод установки заданной облученности и неоднородности облученности от МЧТ.

Исследовано влияние аномальных по спектральной плотности мощности шума (СПМШ) ВЗН-каналов на вероятность обнаружения малоразмерных объектов сканирующими многорядными фотоприемными устройствами (ФПУ). Сгенерированы серии выходных изображений ФПУ, имитирующих сигналы ВЗН-каналов с 4 основными типами СПМШ, рассчитана вероятность обнаружения малоразмерного объекта и произведена оценка эффективности применения различных комбинаций линейных фильтров, применяемых во внутрикадровой обработке. Установлено, что ВЗН-каналы с низкочастотным шумом наиболее значительно влияют на вероятность обнаружения малоразмерного объекта, а последовательное применение адаптивного рекурсивного фильтра и квазисогласованного с сигналом оконного фильтра увеличивает её на 22 % даже при наличии 6 % аномальных ВЗН-каналов в ФПУ.

Рассматриваются особенности измерения порогового потока сканирующих ИК ФПУ при проецировании в плоскость матрицы фоточувствительных элементов изображения малоразмерного объекта, показано, что существующая методика измерения порогового потока ИК ФПУ не позволяет получить корректный результат без учёта формы и размеров фоточувствительного элемента (ФЧЭ). Описана новая методика оценки формы и размеров ФЧЭ, основанная на применении итерационного метода деконволюции Ричардсона-Люси. Представлены результаты применения предложенной методики на реальных фотоприёмных модулях (ФМ). Обнаружены существенные отличия в размерах ФЧЭ разных субматриц ФМ. Предложено использовать изображение горизонтальной щели для коррекции неравномерности вольтовой чувствительности.