Оценка соотношения сигнал / шум для оптико - электронного прибора «Смотрящего» типа Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.384

С. Л. Погорельский, канд. техн. наук., проф., нач. отделения, (4872) 41-06-04, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»), А.В. Чинарев, нач. сектора, (4872) 46-96-23, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»), С. В. Антипов, инженер, (4872) 46-96-23, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»)

ОЦЕНКА СООТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ

ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА «СМОТРЯЩЕГО»

ТИПА

Предложена методика оценки соотношения сигнал/шум для оптико-электронного прибора, следящего за точеными источниками излучения, с учетом специфики фотоприемников матричного типа.

Ключевые слова: оптико-электронный прибор, энергетический расчет, фотоприемник матричного типа, прибор с зарядовой связью, функция рассеяния точки.

В настоящее время при разработке оптико-электронных приборов (ОЭП) с фотоприемниками матричного типа (ФПМТ) используется методика оценки параметров по эквивалентной мире [1, 2]. Эта методика хорошо себя зарекомендовала при проектировании тепловизионных приборов. В указанной методике определяется коэффициент передачи модуляции линейной системой, при этом очень приблизительно учитывается влияние шумов. При оценке параметров оптико-электронных систем, работающих с точеными источниками излучения при малых соотношениях сигнал/шум, применение указанной методики неэффективно. Предлагается для таких систем использовать прямой энергетический расчет [3], измененный с учетом специфики фотоприемников матричного типа [4].

270

Рассмотрим методику оценки соотношения сигнал/шум для ОЭП, следящего за источником излучения. Исходные данные:

I X - спектральная плотность силы излучения источника, Вт/м ; Ь - дальность до источника, м;

1ф X - спектральная плотность силы излучения подстилающей поверхности, Вт/м ;

£>вх - диаметр входного зрачка объектива ОЭП, м;

f - фокусное расстояние объектива ОЭП, м;

т X - спектральный коэффициент пропускания объектива ОЭП;

П X - спектральный квантовый выход фотоприемника;

й? - эффективный размер пикселя фотоприемника, м;

- шаг расположения пикселей фотоприемника, м; ¿н - время накопления фотоприемника, с;

Ыеш - среднеквадратичное число шумовых электронов фотоприемника, е";

татм X - спектральный коэффициент пропускания атмосферы.

Средняя спектральная плотность облученности изображения от источника

IX л£>вХт X гатм X м к =-—о"-> С1)

Л Т / /

2

где Аиз - площадь изображения источника излучения, м .

Средняя спектральная плотность энергии, падающей на один пиксель матрицы за один период накопления

ТТЛ ^ _1 ^ ^вх1 ^ Татм ^ (2)

ПК .то . • V /

Сомножитель й2/Аиз определяет количество энергии, приходящееся на один пиксель по отношению ко всей падающей энергии. Поскольку изображение не имеет четких границ и освещенность на нем спадает плавно из-за размытия оптической системой, то такой расчет энергии некорректен. Для определения количества энергии, приходящегося на один пиксель по отношению ко всей падающей энергии, введем коэффициент

ке= —, (3)

V

Спектральная плотность энергии, падающей на пиксель, соответствующий центру изображения, за один период накопления

Жпк X =ке1 1 п1)^Т Уа™ Х /н. (4).

41г

Коэффициент ке можно получить, зная функцию рассеяния точки (ФРТ) для объектива и приемника изображения или ОЭП в целом.

Различные виды ФРТ объективов хорошо описаны в [1, 3]. Вопрос по ФРТ матричного фотоприемника не освещен. Согласно [5] частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) матричного приемника изображения складывается из трех составляющих: геометрической (накопления), потерь переноса и диффузионной, возникающей за счет бокового диффузионного растекания носителей.

Для ФРТ матричного фотоприемника основное влияние будет создавать диффузия носителей заряда в соседние ячейки фотоприемника, потери переноса будут добавлять шум, который легко можно учесть, а геометрическая ЧКХ вообще не будет оказывать влияния на передачу фотоэлектронов.

Для точного расчета количества энергии, приходящегося на центральный пиксель, необходим довольно сложный расчет. При этом сначала нужно определить распределение освещенности на поверхности фотоприемника:

¿^Н^ЙШ^^^^^Н Х>У У

—00 —оо

где Е х,у - распределение освещенности на идеальном изображении, Ь0 х\у9 - ФРТ объектива.

Зная распределение освещенности на поверхности фотоприемника, можем найти мощность излучения, падающую на каждый пиксель:

\Е х,у с!хс!у , (6)

где хпк, ^ - координаты центра пикселя.

Сгенерированный поток фотоэлектронов в пикселе с координатами Унк определяется следующим образом:

N ^пк'-Упк

Ж'

М .Упк > (?)

где /?м пхс!\пус19 - ФРТ фотоприемника. Окончательно получим

N ^ПК'-УтС

Ке--+Зо

Н-оо

I 1 N Хпк>Упк

Упк=-00^пк=-с0

(8)

Для упрощенного расчета количества энергии, приходящегося на центральный пиксель можно заменить ФРТ объектива и фотоприемника единой функцией, характеризующей искажение сигнала системой:

272

Цр)

-ехр

(9)

7га;

'с /

где ос- диаметр эквивалентного кружка рассеяния, м.

Единая ФРТ ОЭП легко определяется экспериментально по изо бражению точечной диафрагмы. В этом случае получим

Р *пк 5 .Упк

ке =

+СО +00 г

X X Р ХПК> .Упк

упк=_С0Хпк=_00

(10)

Для источника излучения, неискаженное изображение которого соизмеримо с размером пикселя, можно принять

р' *Ьк>Лк =Е'итх 2- (П)

При этом

+со

+00

X X Р ХИК>УпК ^ср ^ИЗ • (12)

Упк =—00 ^пк=—00

На идеальном изображении источника освещенность будет одинакова во всех точках, следовательно:

к*

8 8р

О?

рф</

а*

А13

1 ехр

из

2 с

(13)

2 А /

из Лиз/ •

При выводе (13) предполагалось, что источник излучения в картинной плоскости имеет круглую форму. Для источников, имеющих форму, близкую к круглой, такое приближение вполне допустимо.

Число электронов, генерируемых одним пикселем матричного фотоприемника, определяется по формуле

|т Л тахм Л п Л ¿/Л

(14)

Л/ Л т Л тахм Л п А б/Л,

Мс/ Акт \

где X - длина волны светового излучения, м, - спектральный диапа-

зон работы по уровню 0,1, /? - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.

Применяя (2) к излучению подстилающей поверхности и с учетом шумовых электронов фотоприемника получим соотношение сигнал/шум:

XI X т X хатм X X] X сГХ

2

.(15)

Таким образом, разработана методика оценки соотношения сигнал/шум для ОЭП, следящего за точеными источниками излучения, с учетом специфики фотоприемников матричного типа.

1. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов В.П. Иванов [и др.]. Тула. ФНПЦ НПО ГИПО, 2006. 594 с.

2. Погорельский С. J1., Чинарев А. В., Антипов С. В. Оценка дальности эффективного действия оптико-электронной системы с матричным фотоприемником // Известия ТулГУ. Сер. Проблемы спец. машиностроения. Вып. 9. Ч. 1. Тула: ТулГУ, 2006. С.ЗЗ 1-335.

3. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. JL: Машиностроение, 1983. 592 с.

4. Антипов С. В. Оценка энергетических характеристик оптико-электронного прибора смотрящего типа // Будущее машиностроения России: сб. трудов Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. С. 234-235.

5. Носов Ю. Р., Шилин В. А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука, 1986. 320 с.

S.L. Pogorelski, А. V. Chinaryov, S. V. Antipov

SIGNAL ТО NOISE RATIO ESTIMATION OF A WATCHING OPTOELECTRONIC DEVICE

In this article, we present the technique for estimating a signal to noise ratio of an optoelectronic device watching for point sources of optical radiation with respect to the nature of photosensor array.

Key words: optoelectronic device, power calculation, photosensor array, charge coupled device, point spread function.

Список литературы

Получено 12.09.2012