ФОРМИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ФОТОПРИЕМНОМ УСТРОЙСТВЕ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Везде ниже мы будем отличать термин «пиксель», относящийся к ячейке кадра, от термина «элемент», относящегося к ячейке матричного ПЗС. Необходимость этого связана с тем, что ячейки кадра перемещаются в ходе считывания и экспозиции в режиме временной задержки и накопления (ВЗН) относительно элементов ПЗС.

Погрешность определения координат цели ФПУ определяется следующими составляющими:
-погрешностями определения координат фотоцентров изображений объекта;
-погрешностями метода определения параметров ориентации по совокупности координат объекта и координат фотоцентров;
-погрешностями координат объекта.

Одним из способов снижения погрешности координат фотоцентров является учет геометрического шума – неоднородности характеристик элементов матричного приемника излучения. Этот способ не требует никаких переделок механической или оптической частей приборов, но предполагает использовать более сложные алгоритмы обработки изображения.

Стандартный алгоритм коррекции состоит, как правило, из следующих действий: 1) вычитание байеса (смещения); 2) вычитание сигнала в пикселе, образованного вследствие термогенерации (темнового сигнала) и 3) учет неоднородности чувствительности элементов матричных ПЗС. Байес обычно не меняется от строки к строке и, следовательно, к геометрическим шумам не относится. Неоднородность чувствительности – первая составляющая геометрического шума – определяется путем построения «плоского поля» – изображения однородной излучающей поверхности. Эта характеристика применима только для светочувствительной части приемника излучения, которая, например, для ПЗС с переносом кадра, охватывает менее половины элементов матричного ПЗС. Типичное изменение чувствительности от элемента к элементу составляет 3–5% для ПЗС с обратной засветкой и 1–3% для ПЗС с прямой засветкой и КМОП. Опыт показывает, что и байес, и неоднородность чувствительности мало меняются со временем и с температурой.
Для определения влияния неравномерности темпов термогенерации элементов ПЗС было проведено моделирование процедуры определения координат фотоцентров на модельных изображениях с неравномерной термогенерацией. Генерировались кадры с уровнем термогенерации 250 электронов на элемент и различными уровнями неравномерности термогенерации от 0 до 60 электронов на элемент. В процедуре определения координат темной сигнал определялся по участку кадра, не занятого изображением объекта. По нескольким тысячам кадров производилось вычисление СКО положения фотоцентра.
На рисунке 1 показана зависимость ошибки определения координат фотоцентра от СКО неравномерности темпов термогенерации, выраженных в единицах среднего значения. Кривые приведены для трех уровней сигнала, которые при нулевой неравномерности темнового тока дают указанное отношение сигнала к шуму (SNR) без учета шума чтения.
При низких уровнях сигнала (SNR=3) и больших значениях СКО неравномерности темпов термогенерации кривые отличаются от прямых. Это объясняется тем, что для заданного уровня сигнала и при больших значениях СКО неравномерности термогенерации объекта не могут быть обнаружены при выбранном критерии обнаружения равным 3. На рисунке 2 представлены кривые вероятности обнаружения изображений объекта для сигналов с SNR равным 3 и 10. Таким образом, SNR_eff на графиках уменьшаются до 0,9 для SNR=3 и примерно до 3,0 для SNR=10 при СКО неравномерности термогенерации равном 0,25.

Рис. 1. Зависимость СКО

Ошибка положения фотоцентра для сигнала с SNR=10, обусловленная только пуассоновским шумом, должна составить величину 0,1 пикселя. Из графиков на рисунке 1 видно, что в случае неравномерности термогенерации, составляющей 25% от среднего темпа термогенерации, ошибка определения положения фотоцентра составит около 0,3, что в 3 раза хуже случая, когда имеется только пуассоновский шум.

Рис. 2. Вероятность обнаружения изображения объекта сигнала

Расчет темнового сигнала осуществляется в два этапа. На первом этапе производится калибровка темпов термогенерации. Производится съемка нескольких темновых кадров с различным временем экспозиции. В случае с матричными ПЗС с переносом кадра темновые кадры после экспозиции считываются полностью с параллельным переносом в обеих секциях (накопления и хранения). В результате получается кадр с удвоенным числом строк. После обработки всех темновых кадров получаются значения темпов термогенерации в единицах отсчетов на элемент за такт для обеих секций (накопления и хранения).
Второй этап происходит во время работы ФПУ. С матричного ПЗС считываются значения сигнала от темновых столбцов в каждой строке и суммируются. В случае считывания полного кадра для каждого пикселя этой же строки кадра вычисляется накопленный заряд, равный произведению суммарного сигнала пикселей темновых столбцов на соответствующий этому пикселю коэффициент, вычисленный на первом этапе.
Изложим в общем виде алгоритм расчета.Разделим накопленный в пикселе кадра заряд на:
- заряд, полученный во время экспозиции изображения в области накопления. Причем в случае, если во время экспозиции был использован режим ВЗН, то необходимо учесть, что строка кадра экспонировалась в нескольких строках области накопления;
- заряд, накопленный во время считывания кадра из области хранения.
Зарядами, накопленными во время переноса строк можно пренебречь, ввиду малости времени переноса строк.

Обозначим:

 – темновой сигнал в пикселе кадра, находящемся в строке i столбце j;

 – темп термогенерации элемента ПЗС, находящегося в строке i столбце j (число электронов на элемент за такт);

 – коэффициент равный отношению суммарного накопленного заряда в пикселе кадра к суммарному накопленному заряду пикселей из темновых столбцов той же строки;

 – темп термогенерации элемента ПЗС в области накопления;

 – темп термогенерации элемента ПЗС в области хранения;

 – продолжительность экспозиции кадра в тактах;

 – продолжительность считывания строки в тактах;

 – список номеров считываемых строк, упорядоченный по возрастанию (если кадр считывается не целиком);

 – список темновых столбцов;

 – суммарный заряд пикселей кадра темновых столбцов в строке i;

 – число строк сдвига во время экспозиции в режиме ВЗН;

На первом этапе определяются коэффициенты , а для режима считывания полного кадра вычисляются

где 

На втором этапе в случае считывания всего кадра вычисляем заряд для каждого обрабатываемого пикселя:

При частичном считывании кадра (избранные строки) формула расчета накопленного темнового заряда выглядит следующим образом:

где  – i-й номер строки в списке считываемых строк.

Моделирование показало, что в ФПУ неравномерность термогенерации в элементах матричных ПЗС существенно увеличивает погрешность определения координат изображений объекта. Для решения проблемы необходимо производить более точный учет темнового сигнала, в том числе учет его неоднородности.
Предложенный авторами метод учета темнового сигнала для матричных ПЗС, снабженных темновыми столбцами, позволяет рассчитывать средний темновой сигнал в пикселях кадров без измерения температуры кристалла ПЗС и в отсутствии термостабилизации. Отметим, что метод работоспособен и в режиме полного чтения кадра и при частичном его считывании, а также может применяться как на полнокадровых ПЗС, так и на ПЗС с переносом кадра.

1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего типа». – М.: Логос, 2004. – 444 с.
2. Барский А.Г. Оптико-электронные следящие системы: –  М.: Логос, 2009. –  200 с.

Все статьи автора «Кознев Александр Сергеевич»