Анализаторы изображения оптико-электронных приборов

Еще одним источником погрешности могут явиться межэлементные связи (перекрестные искажения и утечки), которые приводят к заметным потерям энергии сигнала (до нескольких десятков процентов).

Очень распространенным типом многоэлементного анализатора являются фотоприемники на основе ПЗС. Этим анализаторам-приемникам свойственны дискретность накопления зарядов и линейность световой характеристики. «Жесткость» пространственной структуры (растра) ПЗС исключает искажения изображений при их считывании и анализе и уменьшает влияние временномй нестабильности, а линейность световой (люкс-амперной) характеристики позволяет достаточно точно воспроизводить структуру оптического сигала в виде временномй последовательности электрических сигналов.

Принцип работы линейной ПЗС был рассмотрен выше (см § 6.7). Такие устройства сегодня достаточно хорошо освоены в производстве и широко используются на практике. ПЗС-анализаторы являются типичным примером устройств, работающих в режиме накопления, и им свойственны отмечавшиеся выше достоинства и недостатки устройств такого типа. Основным недостатком с точки зрения анализа изображений является геометрический шум - неоднородность темпнового тока и чувствительности отдельных элементов линейки или матрицы ПЗС. Пока большинство ПЗС используются в видимой и ближней ИК области спектра.

Одним из принципиальных недостатков ПЗС-анализаторов является невозможность осуществления произвольного закона выборки сигналов с отдельных элементов линейки или матрицы, поскольку в них производится последовательный съем сигналов с отдельных строк или столбцов. От этого недостатка в значительной степени свободны приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), в которых в отличие от ПЗС перенос заряда происходит между электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу.

Матрица ПЗИ имеет координатную выборку. При выходе из строя какого-либо элемента ПЗИ на изображении, воспроизводимом после получения видеосигнала, образуются темные или светлые точки, а не полосы, как в ПЗС. Однако большие выходные емкости столбцов ПЗИ приводят к возрастанию шумов и усложняют прием слабых сигналов из строк. Такие анализаторы гораздо инерционнее ПЗС. Несмотря на эти недостатки ПЗИ-анализаторы непрерывно совершенствуются и в ближайшее время могут найти широкое применение в ОЭП.

Достоинства ПЗС как анализаторов, кроме отмеченных выше, являются высокое разрешение, достаточно большое быстродействие, малые размеры, масса и энергопотребление, большой срок службы.

В матричных анализаторах используются различные схемы считывания информации. В схеме кадрового считывания осуществляется перенос всего кадра, образующего изображение, по столбцам, как это показано на рис. 16, а, или по строкам из оптической секции 1 в секцию хранения 2. Перенос кадра производится после накопления зарядов в секции 1, занимающего обычно половину времени Т_к об работки кадра. Во время второй половины Т_к в секции 1 снова идет накопление зарядов, а в секции хранения 2 происходит параллельный перенос по строкам (или по столбцам) в выходной регистр 3 и затем на выходной диод 4, т.е. происходит последовательный вывод строки (столбца) изображения. Так как заряды от каждого элемента области накопления, соответствующие освещенностям этих элементов, проходят через области расположения других «элементарных» зарядов, то к каждому из них добавляется заряд, генерируемый под воздействием излучения в предыдущих элементах.

Рис. 16. Схемы считывания информации с ПЗС-анализаторов: а - кадровая; б - строчная; в-строчно-кадровая

Это вызывает смаз изображения, который проявляется в виде тянущихся за изображением «хвостов». Амплитуда смаза уменьшается с ростом отношения t_н/t_c, где t_н - время накопления зарядов на одном пикселе, а t_с - время переноса (считывания) столбца или строки. Для борьбы со смазом используются высокочастотная фильтрация, схемы компенсации и ряд других приемов.

При строчной схеме считывании (рис. 16, б) на каждую из строк оптической секции 3 (секции накопления) через ключи 2 выбора строк, управляемые сдвиговым регистром 1, работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаются импульсы сдвига зарядов. Сигналы из каждой горизонтальной строки считываются последовательно в вертикальный выходной регистр 4, управляемый от генератора сдвигающих импульсов. Из регистра 4 сигнал выхода подается на выходной диод 5. Заряды от каждой строки проходят разное число разрядов выходного регистра, поэтому для получения видеосигнала, соответствующего распределению освещенности по поверхности оптической секции, сигналы I_вых с отдельных строк должны вводиться в систему отображения с задержкой по времени, пропорциональной номеру строки.

При строчно-кадровой схеме считывания изображения (рис. 16, в) область накопления состоит из столбцов фоточувствительных элементов 1 (или строк), между которыми находятся защищенные от падающего на эту область потока сдвиговые регистры 2. Заряды накапливаются в фоточувствительных элементах и затем переносятся параллельно в соседние ячейки сдвиговых регистров 2. Во время накопления следующего кадра эти заряды из 2 выносятся в выходной регистр 3. Время накопления в такой схеме в 2 раза больше, чем в схеме кадрового переноса, при одинаковой частоте считывания кадра, но пространственное разрешение или эффективность использования падающего потока хуже из-за необходимости размещать в плоскости изображения экранированные сдвиговые регистры. В такой схеме в то же время не возникает смаза изображения.

В матричных анализаторах с последовательным переносом зарядов удается сравнительно просто реализовать принцип временной задержки и накопления (интегрирования), который состоит в следующем.

Если в схеме, представленной на рис. 16, б, перемещать изображение относительно матрицы в вертикальном направлении, т.е. перпендикулярно строкам, то можно добиться того, чтобы сдвиг накапливаемых зарядов по этому направлению совпадал по направлению и скорости со скоростью движения изображения. При этом накопление зарядов, соответствующих одним и тем же участкам изображения, происходит в одних и тех же по порядку зарядовых пакетах, но в различных строках. Это позволяет увеличить время накопления при исключении смаза изображения. Считывание каждой строки в выходном регистре должно происходить с соответствующей задержкой. В таких системах удается увеличить отношение сигнал-шум в число раз, равное корню квадратному из увеличения времени задержки (см. ниже § 8.1).

Анализаторы на многоэлементных приемниках излучения (МПИ) и, в частности, на ПЗС успешно используются для определения координат малоразмерных изображений. Так же, как и в матричных анализаторах, описанных выше, в них можно применить ряд специальных алгоритмов обработки сигналов и получить высокую точность измерений, характеризуемую погрешностями в десятые и даже сотые доли размера одного элемента.

Другим важным применением МПИ в ОЭП является так называемое межкадровое вычитание, используемое при пространственной фильтрации, селекции движущихся излучателей и в ряде других практических задач (см. ниже гл. 11).

Важным направлением совершенствования матричных анализаторов является расширение спектрального диапазона их работы. Выше (см. § 6.7) приводились типичные параметры и характеристики современных многоэлементных приемников [22]

10. Спектр сигнала на выходе многоэлементного анализатора изображений

Как отмечалось в § 1, анализ изображения часто осуществляется путем дискретной выборки оптического сигнала, описываемого распределением освещенности в изображении - функцией Е (х, у). Эту выборку можно производить с помощью растра с определенным чередованием прозрачных и непрозрачных участков или многоэлементного приемника излучения. Поскольку площадь прозрачного участка растра или одного элемента приемника конечна, то при дискретной выборке (дискретизация изображения) происходит сглаживание сигнала (размыв изображения) в пределах этого участка или элемента, т.е. свертка функции Е (х, у) с функцией g (x, у), описывающей распределение пропускания растра или чувствительности приемника. Таким образом, сигнал на выходе анализатора

Знак ** обозначает двумерную свертку.

Спектр этого сигнала по теореме о спектре свертки будет представлять собой произведение спектров функций Е (х, у) и g (x, у), т.е.

Для распространенного на практике случая, когда двумерная выборка изображения, описываемого функцией Е (х, у), осуществляется прямоугольной апертурой с размерами aґb, например, прямоугольной полностью прозрачной диафрагмой или приемником излучения с равномерной по прямоугольному фотослою чувствительностью, сигнал на выходе этой апертуры описывается выражением

где

Если выборка осуществляется матрицей формата n x m прямоугольных апертур с периодами Х и Y по осям х и у соответственно, то выходной сигнал

где

Пользуясь теоремами о спектрах (см. § 2.1), можно найти пространственно-частотный (двумерный) спектр этого сигнала:

где

Рассмотрим преобразования спектров в системе, где осуществляется выборка, для простейшего одномерного случая, когда выборка изображения Е(х) осуществляется линейкой прямоугольных апертур или приемников, имеющих размер а по оси выборки х.

На рис. 17 представлены сигналы и соответствующие им спектры. Спектр анализируемой функции Е(х) принят низкочастотным. Как отмечалось в § 2.1, спектр последовательности одинаковых импульсов с периодом Х состоит из отдельных гармоник, отстоящих друг от друга на величину w₁=2pf₁= 2p/X, а их огибающая повторяет огибающую спектра одиночного импульса. Таким образом, спектр сигнала, соответствующий выборке сигнала Е(х) последовательностью прямоугольных импульсов g(х)=rect (х/а) графически может быть представлен рис. 17, б. Операция выборки как бы размножает спектр Е(w_x) функции Е(х). Математическое описание этого процесса см. ниже в § 9.1.

Рис. 1 Сигналы (а) и спектр выходного сигнала (б) в системе с многоэлементным анализатором

Если спектр Е(w_x) широк, т.е. максимальная (по теореме Котельникова) частота этого спектра w_max=2pf_max достаточно велика, то ширина боковых полос может превысить 2p/Х. При этом отдельные полосы спектра U_вых (w_x) будут перекрываться (явление наложения частот и возникновения побочных низкочастотных составляющих в спектре сигнала на выходе всей системы), и сигнал, восстанавливаемый из этого спектра, будет искажен. Из рис. 17, б легко увидеть, что условием отсутствия наложения является 2p/Х і2w_тах или w_Nіw_тах, где w_N=p/X так называемая частота Найквиста. Поэтому обычно стремятся к тому, чтобы выбирать частоту Найквиста, определяемую периодом расположения апертур или площадок приемника X, больше максимальной частоты в спектре сканируемого или анализируемого изображения. Для исключения эффекта наложения иногда можно размыть изображение, чтобы оно занимало несколько элементов, т.е. как бы ввести низкочастотный фильтр.

Расстояние между элементами должно быть согласовано с разрешающей способностью объектива и характером изображения. Если это расстояние будет большим, то возможно нарушение условий, вытекающих из теоремы Котельникова, т.е. потеря информации об анализируемом изображении. С другой стороны, уменьшение этого расстояния ведет к усложнению технологии изготовления многоэлементного приемника, увеличению числа элементов, составляющих его, т.е. к удорожанию приемника-анализатора.

Следует отметить, что после дискретизации изображения (пространственной выборки) фильтрация сигнала в электронном тракте с целью подавления высоких частот не поможет восстановить потерянную в результате сглаживания и эффекта наложения информацию.

Для того, чтобы рабочие боковые полосы (спектры, расположенные около ±2p/X) не попали в область частоты среза w_xcp=2p/а, т.е. в область первого нуля спектра сигнала G(w_х), необходимо уменьшать значение коэффициента заполнения g=а/X, поскольку w_xcp=2p/а= =2p/gX. Если уменьшать g путем увеличения Х из-за возможного наложения частот и в соответствии с теоремой Котельникова нельзя, то остается один путь - уменьшение а. Однако это зачастую трудно осуществить технологически, а кроме того уменьшение а приводит к усложнению требований к качеству оптической системы, которая должна собрать достаточное количество энергии на малую площадку приемника. Поэтому в каждом конкретном случае для конкретного спектра Е(w_x) нужен тщательный выбор Х и а, связанных с w_max, w_N, w_{x cp}.

Литература

анализатор изображение оптический электронный

1. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №4. С. 76 - 82.

2. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 335 с.

3. Высокоточные угловые измерения / Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: 1987. 480 с.

4. Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин, П.Д. Иванов и др.; Под общ. ред. М.М. Русинова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. 423 с.

5. Данилов Е.П., Луцив В.Р. Нейронные сети: современное состояние и перспективы // Оптико-механическая промышленность. 1991, №4. С. 20 - 33.

6. Елизаренко А.С., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984. 215 с.

7. Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем. Учебник для вузов в 2-х частях. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Изд-во МИИГАиК, 2009. - Ч. 1-350 с. Ч. 2-258 с.

8. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1987. 368 с.

9. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.Д. Приемники оптического излучения. Учебник для вузов. - С.-Пб.: Папирус, 2004. - 240 с.

10. Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.: Машиностроение, 1986. 416 с.

11. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. М.: Машиностроение, 1985. 128 с.

12. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978.400 с.

13. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

14. Ллойд Дж. Системы тепловидения /Пер. с англ.; Под ред. А.И. Горячева, М.: Мир, 1979.416 с.

15. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. 421 с.

16. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 696 с.

17. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. 387 с.

18. Проектирование оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

19. Рябов С.Г., Торопкин Г.Н., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники. М.: Радио и связь, 1985. 200 с.

20. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. 128 с.

21. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волфа и Г. Цисиса.В 4 т. / Пер. с англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М. Мирошникова. М.:Мир, 1995-1999.

22. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.

23. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. - М.: Университетская книга: Логос, 2009. - 248 с.

24. Физика и техника инфракрасного излучения / Пер. с англ.; Под общ. ред. Н.В. Васильченко. М.: Сов. радио, 1965. 644 с.

25. Шуба Ю.А. Оптимальные фильтры при спектральной селекции // Оптико-механическая промышленность. 1969. №6. С. 59 - 61.

26. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981. 180 с.

27. Davis J. Consideration of atmospheric turbulence in laser system design // Appl. Optics, 1966.V.5, №1.P.139 - 147.

28. Fielding K.H., Horner J.L. 1-f binary joint transform correlator // Optical Engineering, 1990. V.29, №9. P. 1081-1087.

29. Hufnagel R.E., Stanley N.R. Modulation transfer function associated with image transmission through turbulent media //JOSA, 1964. V. 54, №1.P.52-61.

30. Infrared and Electro-Optical System Handbook/ Ed. by J.S. Accetta and D.L. Shumaker. ERIM, Ann Arbor, Bellingham, SPIE Proc, Vol.PM-10, 1993. 3024 p.

31. Kaufman Y.J. Atmospheric effect on spatial resolution of surface imagery: errata // Appl. Optics, 1984. V.23, №22, P.4164 - 4172.

32. Kopeika N.S., Kogan I., Israeli R., Dinstein I. Prediction of image quality through the atmosphere: The dependence of atmospheric modulation transfer function on weather // Optical Engineering, 1990. V.29, №2. P. 1427-1438.

33. McAulay A., Kadar I. Neural networks for adaptive shape tracking // SPIE Proc, V.1099. 1989, P.74-82.

34. McKechnie T.S. Focusing infrared laser beams on targets in space without using adaptive optics //SPIE Proc, V.1408. 1991, P.119 - 134.

35. Norton P.R. Infrared image sensors // Optical Engineering, 1991. V.30, №11. P. 1649-1663.

36. Parenti R.R. Recent advances in adaptive optics methods and technolodgy // SPIE Proc., V.1000. 1988, P.101 - 109.

37. Patterson T.J., Chabries D.M., Christiansen R.W. Image processing for target detection using data from a staring mosaic infrared sensor geosynchronous orbit // Optical Engineering, 1986. V.25, №1. P.166-172.

38. Rayces J.L. Levich L. Thermal compensation of infrared achromatic objectives with three optical materials // SPIE Proc., V. 1354. 1990, P.752 - 759.

Размещено на Allbest.ru