Чувствительность оптико-электронных приборов при малом контрасте объекта к окружающему фону Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.397.681.772.7.535

В. Д. Смирнов, И. В. Кнороз, С. Е. Герсанова

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ПРИ МАЛОМ КОНТРАСТЕ ОБЪЕКТА К ОКРУЖАЮЩЕМУ ФОНУ

Обсуждается проблема достижения потенциальной помехоустойчивости работы оптико-электронной аппаратуры при малом контрасте регистрируемого объекта к окружающему его фону. Получены выражения, определяющие потенциальную чувствительность оптико-электронных приборов и систем при ограничении ее фотонными шумами фонового тока.

Ключевые слова: система первичной обработки информации, приемник излучения, пороговая характеристика, входной зрачок, чувствительность.

Вопросы, относящиеся к решению проблемы работы аппарата человеческого зрения (а также простейших визуальных приборов) при малом контрасте регистрируемого объекта относительно контраста фона, впервые были поставлены основоположником фундаментальной теории о квантовой природе света акад. С. И. Вавиловым и впоследствии изучались А. А. Лебедевым и А. В. Луизовым [1]. Именно эти ученые ввели понятия контраста, порогового контраста, эффективного контраста, а также порогового контраста во времени. В космическом телевидении данная проблема изучалась А. Розе, Л. Хромовым и П. Брацлавцем [2—4].

С появлением современных приемников излучения (линейных и матричных ПЗС видимого диапазона, многоэлементных инфракрасных приемников излучения), работающих в спектральном диапазоне, во много раз превышающем область спектральной чувствительности человеческого глаза, значительно расширился и круг задач, которые в целом можно определить как проблему достижения потенциальной помехоустойчивости работы оптико-электронной аппаратуры в условиях различной величины контраста регистрируемого объекта к окружающему его фону [5—7].

Цель настоящей статьи — определение потенциальной чувствительности оптико-электронных приборов и систем при ограничении ее фотонными шумами фонового потока при регистрации малоразмерных объектов в условиях малого контраста к окружающему фону.

Рассмотрим работу оптико-электронной аппаратуры, когда фоновый поток значительно больше сигнального потока регистрируемого излучения. По определению Р. Хадсона [5], в этом случае режим работы приборов относится к так называемому „ограничению фоном" („режим ОФ").

Ток чувствительного элемента матричного приемника излучения, обусловленный фоновым монохроматическим потоком, определяется по формуле

^х = вУх Фф^ = п1фХ (Б //02тп 4 вУх/16Ау, (1)

48 В. Д. Смирнов, И. В. Кнороз, С. Е. Герсанова

где Ффх — фоновый поток от регистрируемого объекта для длины волны X; e — заряд электрона; Ьф% — энергетическая яркость фона; т — коэффициент пропускания оптической системы; D — диаметр входного зрачка оптической системы; f '— фокусное расстояние оптической системы; п d3R /4 — площадь чувствительного элемента матричного приемника излучения (в данном случае полагается, что диаметр чувствительного элемента равен диаметру кружка рассеяния оптической системы: dM = d^); hv — энергия кванта; Fi — квантовый выход приемника излучения для длины волны i.

Ток, обусловленный световым потоком от регистрируемого малоразмерного объекта, при d^ = d^ определяется выражением

Ja = [(nD2)/4](A/ci /R2)eTFi/hv, (2)

где А/а — энергетическая сила света малоразмерного объекта; R — расстояние от регистрируемого объекта до оптико-электронного прибора.

Ток, обусловленный шумом, на основании формулы Шоттки при известной полосе пропускания электронного тракта (Af) определяется как

Jm= [2e(Jd+ J^)Af|1/2 (3)

Полагая, что Jфi » Ja, и учитывая выражения (1)—(3), для отношения сигнал/шум можно записать:

р= Jd/Jm = (f D T^/d^XMciRlFi /А/)1/21/(2!ф1 hv)1/2. (4)

В выражении (4) в первых скобках заключены параметры оптической системы как основного звена оптико-электронного прибора; характеристики системы первичной обработки информации включены в третьи скобки, а вторая и четвертая пары скобок определяют внешние характеристики. Следует подчеркнуть, что выражение (4) описывает работу оптико-электронной аппаратуры в „идеальном" режиме: регистрируемый сигнал ограничен флюк-туационными шумами фонового излучения, характеризуемого большей мощностью, чем мощность полезного сигнала, — условие „малого контраста" объекта к фону.

В общем виде контраст регистрируемого объекта к окружающему его фону определяется формулой

K=(Lmax — Lmin)/ (Lmax+ Lmin)=AL/(Lmax+Lmin).

В случае когда яркость фона много больше яркости регистрируемого объекта (Li), можно записать

K= ALi /ЬфХ. (5)

1/2

Учитывая, что в первых скобках выражения (4) член (Dt /d^) характеризует усилительные свойства оптической системы и поэтому непосредственно связан с так называемым

2 2

„коэффициентом усиления" [5, 6], равным ß = t(D /dvp ), а также учитывая, что A/ci= AL&AS

(где AS — площадь регистрируемого объекта), получаем в соответствии с формулой (5) следующее выражение для отношения сигнал/шум:

р = f '(AS/R2)[(FlALclßKта)/(2hvA/)]1/2, (6)

где AS/R — телесный угол объекта; та — коэффициент прозрачности атмосферы.

Р. Хадсоном [5] предложено определять „идеальное" (максимально возможное) расстояние до регистрируемого объекта при отношении сигнал/шум, равном единице. На основании выражения (6) „идеальное" расстояние определяется формулой

Rm = f 'AS)1/2[(FiALcißKта)/(2hvA/)]1/4

Чувствительность оптико-электронных приборов при малом контрасте объекта к фону 49

Когда оптико-электронный прибор регистрирует малоконтрастный объект, чувствительность прибора необходимо определять по минимальной (пороговой) облученности Еп входного зрачка оптической системы; в этом случе формулу (4) целесообразно преобразовать к виду

Еп = (21фх^уД/)1/2 // '№а)1/2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Луизов А. В. Инерция зрения. М.: Оборонгиз, 1961.

2. Розе А. Зрение человека и электронное зрение. М.: Мир, 1977.

3. Хромов Л. И., Смирнов В. Д. Влияние параметров оптической системы на предельную чувствительность телевизионных систем // Техника средств телевидения. Сер. Техника телевидения. 1981. Вып. 4. С. 3—7.

4. Брацлавец П. Ф. и др. Космическое телевидение. М.: Связь, 1973.

5. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М.: Мир, 1972.

6. Смирнов В. Д. Оптические и оптико-электронные системы космического технического зрения для беспилотных летательных аппаратов. СПб.: Изд-во „Петербургский институт печати", 2006.

7. Смирнов В. Д. Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника в полиграфии. СПб.: Изд-во „Петербургский институт печати", 2000.

Сведения об авторах

Всеволод Дмитриевич Смирнов — д-р техн. наук, профессор; НИИ телевидения, Санкт-Петербург;

E-mail: [email protected]

Ирина Владимировна Кнороз — аспирант; НИИ телевидения, Санкт-Петербург

Светлана Евгеньевна Герсанова — аспирант; НИИ телевидения, Санкт-Петербург

Рекомендована Институтом Поступила в редакцию

12.03.08 г.