Коррекция неравномерности чувствительности матричных фотоприемных устройств (МФПУ) ближнего, коротковолнового инфракрасного диапазона на основе InGaAs
|
Введение 4
Глава I. Матричные фотоприемные устройства ближнего, коротковолнового инфракрасного диапазона 7
1. Обзор МФПУ 7
2. МФПУ на основе InGaAs (0,9 - 1,7 мкм): технологический процесс, принцип работы,
физические параметры 9
3. Разработка камеры ближнего и коротковолнового ИК диапазона 13
4. Постановка задачи 16
Глава II. Методы коррекции неравномерности чувствительности 18
1. Введение в методы коррекции неравномерности чувствительности 18
2. Методы коррекции по тестовым объектам 20
3. Методы, использующие сигнал от наблюдаемой сцены 23
4. Комбинирование методов 26
Глава III. Двухточечная коррекция неравномерности чувствительности 27
1. Анализ предстоящей работы для реализации метода двухточечной коррекции
неравномерности чувствительности 27
2. Введение в математическую модель двухточечной коррекции неравномерности
чувствительности МФПУ 28
3. Построение зависимости чувствительности элементов от входной освещенности,
вычисление коэффициентов двухточечной коррекции 30
4. Разработка программного обеспечения 32
5. Проверка эффективности метода 34
Глава IV. Метод коррекции по наблюдаемой сцене - фильтр Калмана 37
1. Анализ предстоящей работы для реализации фильтра Калмана 37
2. Введение в математическую модель фильтра Калмана 38
3. Разработка программного обеспечения 41
4. Экспериментальное исследование улучшения качества изображения 44
Глава V. Эффективность коррекции неравномерности чувствительности в сравнение с понижением температуры фоточувствительного слоя МФПУ 46
1. Температурная зависимость полупроводниковых материалов 46
2. Экспериментальная часть 49
3. Результаты исследований 51
Глава VI. Обсуждение результатов 56
Заключение 59
Список использованной литературы 61
Список публикаций 63
Приложения 64
Приложение 1. Основные блоки подключаемой библиотеки фильтра Калмана 64
Приложение 2. Основные блоки технологической программы для измерения соотношения сигнал/шум 68
Глава I. Матричные фотоприемные устройства ближнего, коротковолнового инфракрасного диапазона 7
1. Обзор МФПУ 7
2. МФПУ на основе InGaAs (0,9 - 1,7 мкм): технологический процесс, принцип работы,
физические параметры 9
3. Разработка камеры ближнего и коротковолнового ИК диапазона 13
4. Постановка задачи 16
Глава II. Методы коррекции неравномерности чувствительности 18
1. Введение в методы коррекции неравномерности чувствительности 18
2. Методы коррекции по тестовым объектам 20
3. Методы, использующие сигнал от наблюдаемой сцены 23
4. Комбинирование методов 26
Глава III. Двухточечная коррекция неравномерности чувствительности 27
1. Анализ предстоящей работы для реализации метода двухточечной коррекции
неравномерности чувствительности 27
2. Введение в математическую модель двухточечной коррекции неравномерности
чувствительности МФПУ 28
3. Построение зависимости чувствительности элементов от входной освещенности,
вычисление коэффициентов двухточечной коррекции 30
4. Разработка программного обеспечения 32
5. Проверка эффективности метода 34
Глава IV. Метод коррекции по наблюдаемой сцене - фильтр Калмана 37
1. Анализ предстоящей работы для реализации фильтра Калмана 37
2. Введение в математическую модель фильтра Калмана 38
3. Разработка программного обеспечения 41
4. Экспериментальное исследование улучшения качества изображения 44
Глава V. Эффективность коррекции неравномерности чувствительности в сравнение с понижением температуры фоточувствительного слоя МФПУ 46
1. Температурная зависимость полупроводниковых материалов 46
2. Экспериментальная часть 49
3. Результаты исследований 51
Глава VI. Обсуждение результатов 56
Заключение 59
Список использованной литературы 61
Список публикаций 63
Приложения 64
Приложение 1. Основные блоки подключаемой библиотеки фильтра Калмана 64
Приложение 2. Основные блоки технологической программы для измерения соотношения сигнал/шум 68
Современное оптико-электронное приборостроение в инфракрасной (ИК) области электромагнитного излучения находит применение во многих областях науки и техники, имеет гражданские, военные, промышленные приложения. Одним из перспективных направлений в этой сфере - использование ближнего и коротковолнового ИК диапазонов (БИК, КВИК или NIR, SWIR англ.). Данная область спектра обладает рядом преимуществ для приборов ночного видения, систем дальнометрирования и целеуказания [1,2]:
1) Спектр свечения ночного неба. Свечением ночного неба называется общий свет, поступающий на поверхность Земли в отсутствие Луны. Это излучение находится ближнем, коротковолновом ИК диапазоне спектра.
2) У многих лазеров, использующихся в дальномерах, целеуказателях длина волны излучения лежит в данном диапазоне, что соответственно позволяет наблюдать отраженный от объекта лазерный луч и контролировать положение точки подсвета.
3) БИК и КВИК излучение не рассеивается на частицах воды в тумане, на частицах дыма или смога, это позволяет наблюдать объекты интереса в условиях недостаточной видимости.
Бурное развитие электронной элементной базы в последние десятилетия ознаменовалось появлением современных фотоприёмных устройств, в том числе на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). Данные МФПУ обладают высокой чувствительности в диапазоне 0,9 - 1,7 мкм и достаточно большим, для этого диапазона, форматом: 640х512 фоточувствительных элементов. Однако возникает проблема коррекции неравномерности чувствительности матричных фотоприёмных устройств, основными причинами неравномерности чувствительности являются:
1) Технология изготовления МФПУ не позволяет получать идентичные фоточувствительные элементы (за исключением МФПУ на основе Si).
2) В большом числе фоточувствительных элементов неизбежно возникают дефектные. Элементы могут быть совершенно не чувствительны к излучению и иметь нулевой либо какой-либо другой постоянный сигнал. Такие элементы называются «дефектными пикселями».
3) Существует различие в чувствительности между областями элементов, так называемый градиентный (или пространственный) шум, которое проявляется в виде полос; постепенного возрастания интенсивности изображения от одного края к другому и т. д.
Целью данной работы было исследование и коррекция неравномерности чувствительности МФПУ на основе арсенида индия - галлия для улучшения качества получаемого изображения, повышения обнаружительной способности полезного сигнала, в том числе отраженного лазерного излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Изучить характер неравномерности МФПУ на основе InGaAs.
2) Изучить существующие методы коррекции неравномерности чувствительности, выбрать наиболее подходящие и эффективные для матриц на InGaAs.
3) Разработать программное обеспечение для постобработки получаемого изображения сконструированного прибора с использованием МФПУ ближнего, коротковолнового ИК.
4) Подготовить экспериментальную базу и выполнить проверку работы методов коррекции в лабораторных и натурных условиях.
Научная новизна данной работы заключается:
У в применении новых подходов в методах коррекции неравномерности чувствительности для МФПУ ближнего, коротковолнового диапазона на основе InGaAs, которые не использовались ранее;
У в применении температурной стабилизации, понижении температуры фоточувствительного слоя совместно с коррекцией неравномерности чувствительности.
1) Спектр свечения ночного неба. Свечением ночного неба называется общий свет, поступающий на поверхность Земли в отсутствие Луны. Это излучение находится ближнем, коротковолновом ИК диапазоне спектра.
2) У многих лазеров, использующихся в дальномерах, целеуказателях длина волны излучения лежит в данном диапазоне, что соответственно позволяет наблюдать отраженный от объекта лазерный луч и контролировать положение точки подсвета.
3) БИК и КВИК излучение не рассеивается на частицах воды в тумане, на частицах дыма или смога, это позволяет наблюдать объекты интереса в условиях недостаточной видимости.
Бурное развитие электронной элементной базы в последние десятилетия ознаменовалось появлением современных фотоприёмных устройств, в том числе на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). Данные МФПУ обладают высокой чувствительности в диапазоне 0,9 - 1,7 мкм и достаточно большим, для этого диапазона, форматом: 640х512 фоточувствительных элементов. Однако возникает проблема коррекции неравномерности чувствительности матричных фотоприёмных устройств, основными причинами неравномерности чувствительности являются:
1) Технология изготовления МФПУ не позволяет получать идентичные фоточувствительные элементы (за исключением МФПУ на основе Si).
2) В большом числе фоточувствительных элементов неизбежно возникают дефектные. Элементы могут быть совершенно не чувствительны к излучению и иметь нулевой либо какой-либо другой постоянный сигнал. Такие элементы называются «дефектными пикселями».
3) Существует различие в чувствительности между областями элементов, так называемый градиентный (или пространственный) шум, которое проявляется в виде полос; постепенного возрастания интенсивности изображения от одного края к другому и т. д.
Целью данной работы было исследование и коррекция неравномерности чувствительности МФПУ на основе арсенида индия - галлия для улучшения качества получаемого изображения, повышения обнаружительной способности полезного сигнала, в том числе отраженного лазерного излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Изучить характер неравномерности МФПУ на основе InGaAs.
2) Изучить существующие методы коррекции неравномерности чувствительности, выбрать наиболее подходящие и эффективные для матриц на InGaAs.
3) Разработать программное обеспечение для постобработки получаемого изображения сконструированного прибора с использованием МФПУ ближнего, коротковолнового ИК.
4) Подготовить экспериментальную базу и выполнить проверку работы методов коррекции в лабораторных и натурных условиях.
Научная новизна данной работы заключается:
У в применении новых подходов в методах коррекции неравномерности чувствительности для МФПУ ближнего, коротковолнового диапазона на основе InGaAs, которые не использовались ранее;
У в применении температурной стабилизации, понижении температуры фоточувствительного слоя совместно с коррекцией неравномерности чувствительности.
В рамках данной магистерской диссертации была рассмотрен прибор ближнего, коротковолнового ИК с МФПУ на основе In53Ga4?As с InP подложкой. Решены следующие вопросы:
1. Реализован алгоритм двухточечной коррекции для разработанного прибора ближнего ИК диапазона.
1.1. Изучена математическая модель двухточечной коррекции.
1.2. Исследована зависимость значения сигналов фоточувствительных элементов от равномерной освещенности, определены границы динамического диапазона, получены данные для вычисления коэффициентов двухточечной коррекции.
1.3. Разработано технологическое программное обеспечение, получены и применены в разработанном приборе коэффициенты коррекции.
1.4. Исследована и подтверждена эффективность применения метода двухточечной коррекции.
2. Разработан и применён статистический алгоритм фильтрации Калмана.
2.1. Изучен разработанный в АО «НПО ГИПО» алгоритм.
2.2. Алгоритм адаптирован и применен к ранее записанным данным ближнего, коротковолного ИК.
2.3. Качественно исследована эффективность данного метода.
2.4. Алгоритм внедрён в один из серийных приборов средневолнового, дальнего ИК, где работает в режиме реального времени .
3. Исследована эффективность коррекции неравномерности чувствительности в сравнение с охлаждением фоточувствительного слоя МФПУ.
3.1. Сконструированный прибор был модифицирован для получения возможности охлаждения до температуры 273К - оборудован системой теплоотвода и её управлением.
3.2. Результатом понижения температуры является увеличение чувствительности.
3.3. Коррекция неравномерности чувствительности эквивалента охлаждению фоточувствительного слоя до температуры 273 К и ниже.
4. Оба метода коррекции неравномерности чувствительности показали хорошие результаты, однако, статистический фильтр Калмана требует высокой производительности процессоров обработки изображения. Кроме того данный метод зачастую нельзя применять на изображение без коррекции. Так же было установлено, что коррекция неравномерности чувствительности эффективно компенсирует шум, вызванный высокой температурой фоточувствительного слоя МФПУ, что даёт преимущество при разработке приборов ограниченных габаритами и энергопотреблением.
В дальнейшем плане развития приборов ближнего, коротковолнового ИК - использование более эффективных методов коррекции, например, кусочно-линейной функции, полиноминальной, другие статистические методы, что позволит устранить неравномерность высших порядков. Однако достигнутые результаты уже позволяют применять разработанные камеры данного диапазона во многих сферах военного и гражданского применения.
1. Реализован алгоритм двухточечной коррекции для разработанного прибора ближнего ИК диапазона.
1.1. Изучена математическая модель двухточечной коррекции.
1.2. Исследована зависимость значения сигналов фоточувствительных элементов от равномерной освещенности, определены границы динамического диапазона, получены данные для вычисления коэффициентов двухточечной коррекции.
1.3. Разработано технологическое программное обеспечение, получены и применены в разработанном приборе коэффициенты коррекции.
1.4. Исследована и подтверждена эффективность применения метода двухточечной коррекции.
2. Разработан и применён статистический алгоритм фильтрации Калмана.
2.1. Изучен разработанный в АО «НПО ГИПО» алгоритм.
2.2. Алгоритм адаптирован и применен к ранее записанным данным ближнего, коротковолного ИК.
2.3. Качественно исследована эффективность данного метода.
2.4. Алгоритм внедрён в один из серийных приборов средневолнового, дальнего ИК, где работает в режиме реального времени .
3. Исследована эффективность коррекции неравномерности чувствительности в сравнение с охлаждением фоточувствительного слоя МФПУ.
3.1. Сконструированный прибор был модифицирован для получения возможности охлаждения до температуры 273К - оборудован системой теплоотвода и её управлением.
3.2. Результатом понижения температуры является увеличение чувствительности.
3.3. Коррекция неравномерности чувствительности эквивалента охлаждению фоточувствительного слоя до температуры 273 К и ниже.
4. Оба метода коррекции неравномерности чувствительности показали хорошие результаты, однако, статистический фильтр Калмана требует высокой производительности процессоров обработки изображения. Кроме того данный метод зачастую нельзя применять на изображение без коррекции. Так же было установлено, что коррекция неравномерности чувствительности эффективно компенсирует шум, вызванный высокой температурой фоточувствительного слоя МФПУ, что даёт преимущество при разработке приборов ограниченных габаритами и энергопотреблением.
В дальнейшем плане развития приборов ближнего, коротковолнового ИК - использование более эффективных методов коррекции, например, кусочно-линейной функции, полиноминальной, другие статистические методы, что позволит устранить неравномерность высших порядков. Однако достигнутые результаты уже позволяют применять разработанные камеры данного диапазона во многих сферах военного и гражданского применения.