Системы тепловидения - Измерение характеристик систем

Глава 11 Измерение характеристик систем

• Передаточная функция сигнала и динамический диапазон

Мы определили систему тепловидения как прибор, который преобразует оптическое излучение дальнего инфракрасного диапазона в видимое излучение таким образом, что информацию можно извлекать из полученного изображения. В типичном случае коэффициент преобразования мощности можно регулировать путем изменения контраста и путем изменения яркости добавлением произвольного уровня постоянной составляющей. Необходимо уметь описывать и измерять коэффициент преобразования мощности и его зависимость от упомянутых видов регулирования, чтобы наблюдатель мог с уверенностью оптимизировать свою способность извлекать информацию из изображения, манипулируя ручками регулировок. Под этим подразумевается, что могут быть достигнуты удовлетворительные значения коэффициента окружающего фона для ожидаемых условий, что может быть получено изображение, восприятие которого ограничивается шумами, и может быть достигнут высокий контраст изображения.
Для удобства коэффициент преобразования (как отношение выходной мощности к входной) измеряют в точке изображения большого квадратного объекта. Входная мощность обычно выражается как эквивалентная черному телу разность эффективных температур объекта и фона в градусах Цельсия, измеренная в спектральном диапазоне теплового излучения, в котором работает система. Выходная мощность обычно представляется яркостью изображения на экране индикатора, оцениваемой в соответствии с дневной кривой видности глаза и измеряемой фотометром *).
Преобразование мощности описывается передаточной функцией сигнала ПФС, по терминологии Молтона и др. [5]. ПФС определяется как световая яркость на выходе системы (на экране индикаторного устройства) в функции разности температур объекта и фона в тест-объекте для различных уровней регулировки (фиг. 11.1).
г) Вопросы фотометрии рассмотрены в работах [1—4].

Типичный способ определения ПФС заключается в следующем. Температура квадрата и окружающего его фона устанавливается равной температуре окружающей среды, а яркость и усиление регулируются таким образом, чтобы создать наиболее благоприятные условия наблюдения. На центр изображения квадрата на’экране индикатора фокусируется микрофотометр и регистрируется яркость, соответствующая АТ = 0. Затем температура квадрата последовательно получает небольшие приращения и определяется яркость в функции разности температур квадрата и фона. Измерения повторяются для других уровней регулировки, и, таким образом, достаточно полно характеризуется работа системы. Совокупность идеализированных ПФС для различных уровней регулировки яркости В и регулировки контраста С показана на фиг. 11.2.

Фиг. 11.2. Идеализированные 11ФС для различных уровней регулировки яркости В и контраста С.

Фиг. 11.1. Тест-объект для определения передаточной функции сигнала НФС.
Динамический диапазон системы описывается динамическими диапазонами по АТ и яркости, каждый из которых является функцией уровня регулировки и может быть определен по ПФС. Динамический диапазон по АТ есть максимальная разность температур картины, которая передается на экран без нелинейных искажений

при определенных условиях регулировки. Максимальный динамический диапазон по АТ равен максимальной разности температур А Г, переданной на экран без искажений при минимальном усилении. Динамический диапазон по яркости — это максимальная яркость, которую может обеспечить система.

• Измерение оптической передаточной функции

В гл. 3 приводилось определение оптической передаточной функций (ОПФ) для систем тепловидения и указывался метод ее расчета по результатам измерений функции рассеяния линии (ФРЛ). На фиг. 11.3 показана упрощенная типичная схема испытаний, в которой имеется источник излучения (черное тело) в виде линии и которая позволяет измерять ФРЛ и ОПФ. Показаны два варианта: щель фотометра сканирует по изображению неподвижной щели источника или изображение щели источника перемещается по щели фотометра.

Фиг. 11.3. Схема типичной экспериментальной установки для определения функции рассеяния линии ФРЛ.
1 — источник черного излучения; 2 — датчики температуры; з — щель (неподвижная или перемещающаяся); 4 — датчик положения щели; 5 — коллиматор инфракрасного излучения; 6 — диафрагма; 7 — приемное устройство; s — видеоконтрольное устройство; 9 — объектив фотометра; ю — щель фотометра (неподвижная или перемещающаяся); 11 — датчик положения щели; 12 — световод; 13 — фотоумножитель; 14 — фотометр; 15 — двухкоординатное регистрирующее устройство; 16 — вид полученной кривой ФРЛ.
Источник излучения в виде линии создается с помощью термоэлектрической холодильной машины или электрически нагреваемой пластины, перед которой установлена непрозрачная маска с профрезерованной или химически вытравленной тонкой щелью. Источник и маска должны иметь одинаковую спектральную излучательную способность и должны позволять регулировать и обеспечивать постоянство разности температур как по температуре, так и по излучательной способности с точностью 4=0,05° С для измерения характеристик тепловизионных систем высокого качества. На схеме, приведенной на фиг. 11.3, плоскость маски со щелью расположена в фокальной плоскости инфракрасного коллиматора, а источник находится на достаточном удалении от маски, чтобы свести к минимуму теплообмен излучением между источником и маской.
В идеальном случае кажущаяся и измеренная контактным способом температуры каждой поверхности должны быть одинаковыми, так что температура источника и маски может измеряться термопарами, термисторами или полупроводниковыми диодами, находящимися в контакте с поверхностями. Это более предпочтительный способ, поскольку небольшие разности температур надежнее и дешевле измерять контактными, а не радиометрическими методами. Излучающая щель должна быть намного уже, чем пространственное разрешение системы, но не настолько узкой, чтобы нельзя было получить достаточного для обеспечения высокого отношения сигнала к шуму излучения, измеряемого в единицах разности температур. Эффективная разность температур щели приблизительно равна действительной разности температур, умноженной на отношение угловой ширины щели к разрешению системы.
Коллиматор может быть линзовым или зеркальным, однако объектив с высоким разрешением, используемый в широком спектральном диапазоне, легче и дешевле изготовить зеркальным. Недостатком зеркальных коллиматоров является необходимость применения диафрагм для исключения попадания на приемник его отраженного расфокусированного изображения и отраженных бликов от посторонних окружающих предметов.
Прежде чем приступить к измерению ОПФ, необходимо знать ОПФ всех измерительных и регистрирующих приборов, а также пространственно-частотный спектр излучающей щели. К приборам, ОПФ которых может отличаться от единицы, относятся коллиматор, микрофотометр и двухкоординатный самописец. Отличный от единицы пространственно-частотный спектр линейного источника влияет на ОПФ измеряемой функции рассеяния, и это необходимо учитывать при расчетах.
Первым этапом при измерении ОПФ является фокусировка приемного устройства на изображение в фокальной плоскости коллиматора и установка приемного устройства таким образом, чтобы щель оказалась перпендикулярной направлению, в котором предполагается измерить ОПФ. Если в системе есть окуляр, его необходимо отрегулировать, чтобы выходящий пучок был параллельным. Затем изображение щели на экране необходимо сфокусировать на сканирующую щель фотометра, обеспечив параллельность обеих щелей.
Второй этап заключается в определении масштабного коэффициента для данного эксперимента, т. е. переводного коэффициента от миллиметров в плоскости сканирующей щели фотометра к миллирадианам в пространстве объектов. Это позволяет перевести ФРЛ, измеренную по миллиметровой шкале, в шкалу миллирадиан в выбранной плоскости объекта. Способ определения коэффициента перевода, который сводит к минимуму ошибку из-за рассеяния изображения, заключается в использовании штрихового тест-объекта с известным угловым периодом и определении усредненных расстояний между пиками яркости на экране индикатора.
Третьим этапом в измерении ОПФ является установление условий существования ОПФ, определенных в гл. 3, а именно: линейности, пространственной инвариантности и высокого отношения сигнала к шуму. По-видимому, требование пространственной инвариантности будет выполняться, если выбрать достаточно малый участок на экране для проведения измерений. Однако чрезвычайно трудно обеспечить одновременно выполнение требований линейности и низкого уровня шумов, поскольку, по существу, все системы имеют шумы, являются нелинейными и обладают ограниченным динамическим диапазоном. Таким образом, достаточно яркое изображение, характеризуемое высоким отношением сигнала к шуму, вероятно, будет обрабатываться нелинейно, в то время как линейно преобразуемое изображение, по-видимому г будет иметь большие шумы. По этой причине важно знать вид передаточной функции сигнала. Еще одна, связанная с обеспечением надлежащих условий измерения задача заключается в том,, что фотоумножитель, используемый для измерения яркости экрана, должен быть относительно малошумящим и иметь линейную характеристику. Существенным на третьем этапе является выбор эффективной разности температур, обеспечивающей отношение сигнала к шуму, равное ~10 или более, а также выбор такого уровня регулировки яркости и контраста системы, при котором? ПФС была бы практически линейна во всем диапазоне изменения сигнала к шуму.
Четвертый этап заключается в формировании функции рассеяния линии (ФРЛ) и зондировании ее движущейся щелью фотометра. Движение щели должно быть медленным, чтобы кадровая развертка в системе совместно с движением щели не приводила к недостаточному числу выборок ФРЛ. Медленное движение позволяет также сузить полосу подавляющего шумы электрического фильтра без искажения ФРЛ. ФРЛ обычно регистрируется двухкоординатным самописцем, хотя может использоваться описанная ниже более сложная техника автоматической записи.
Можно приближенно осуществить преобразование ФРЛ, приводя ее к такой функции, преобразование которой известно, например к гауссовой. Однако, за исключением некоторых частных случаев, такой способ недостаточно точен, и преобразование ФРЛ приходится производить с помощью ЭВМ. В полученную ОПФ требуется затем вносить поправки, учитывающие ошибки измерений, для чего ее делят на ОПФ измерительной аппаратуры и пространственно-частотный спектр линейного источника.
Изложенная в общих чертах методика определения ОПФ требует больших затрат времени и весьма утомительна, поэтому желательно автоматизировать получение данных. Обычно исследователю приходится несколько раз измерять характеристики, прежде чем ему удастся решить все экспериментальные проблемы и получить удовлетворительные результаты. Таким образом, процесс измерений вполне может занять целый рабочий день. Молтон и др. [5], а также и авторы работы [6] объединили установку для определения ОПФ с цифровыми электронными вычислительными устройствами, чтобы уменьшить ошибки, связанные с определением ОПФ вручную. Принципиальная схема такой установки с ЭВМ показана на фиг. 11.4. Аналоговое напряжение, соответствующее амплитуде ФРЛ при определенном положении сканирующей щели, поступает на управляемый вычислительной машиной двухканальный аналого-цифровой преобразователь, а затем в память вычислительной машины. ЭВМ производит быстрое фурье-преобразование ФРЛ и строит графики ФРЛ, МПФ и ФПФ. Пример полученных таким образом графиков был приведен ранее (см. фиг. 3.10).
Имеется множество экспериментальных погрешностей, которые могут привести к тому, что результаты определения ОПФ окажутся неверными. Сендалл [7] указывает, что высокое мгновенное значение яркости элемента разложения на экране индикатора, требуемое для достижения приемлемой средней яркости в системах с быстройкадровой разверткой, может вызвать насыщение сигнала используемого фотоумножителя. Поэтому следует обеспечить соответствующий динамический диапазон работы фотоумножителя. Браун [8] указал, что для систем с окуляром входной зрачок фотометра при измерении ФРЛ должен быть согласован со зрачком глаза. Это предотвращает влияние аберраций объектива, не видимых оператором, которые в противном случае внесут свой вклад в ОПФ, и последняя окажется несогласованной с условиями зрительного восприятия. Другой проблемой при измерении ОПФ является трудность оценки точности результатов. Возможно, лучший способ проверки правильности полученных результатов

Фиг. 11.4. Схема автоматической экспериментальной установки для определения оптической передаточной функции ОПФ.

• — термоэлектрический источник холодного фона;
• — объект; 3 — коллиматор; 4 — цифровой термисторный термометр; 5 — дистанционный регулятор температуры; 6 — сканирующее устройство; 7 — индикаторное устройство; 8 — сканирующая шель микрофотометра; 9 — волоконнооптический световод; 10 — фотометр; 11 — аналого-цифровой преобразователь;
• — двухкоорцинатное регистрирующее устройство;
• — ЭВМ; 14 — графопостроитель.

заключается в сравнении измеренных значений ОПФ с ожидаемыми и с экспериментальными данными по ΔTра3р. Методы измерения ОПФ систем, работающих в видимой области спектра, описаны в работах [9—16].

• Измерение минимальной разрешаемой разности температур

Минимальная разрешаемая разность температур АГра3р была определена в гл. 5 как эквивалентная черному телу разность температур объекта и фона (фиг. 5.5), при которой отдельные штрихи объекта на данной частоте разрешаются наблюдателем. При проектировании установки и разработке методики измерений нужно обеспечить условия, необходимые для определения АГра3р. Система должна иметь такой уровень регулировки или такие пределы его изменения, чтобы ее характеристики были практически линейными и шумы были хорошо видны на экране индикатора. Таким образом, возможности системы будут ограничены скорее шумами, а не недостаточно высоким контрастом. Насколько выполняется первое условие, можно проверить, обратившись к кривым ПФС, в то время как в справедливости второго можно убедиться только по субъективной оценке наблюдателем уровня шумов.
Тест-объекты можно устанавливать на конечном расстоянии, и тогда объектив должен быть сфокусирован на это расстояние, а можно рассматривать и на бесконечности, для чего их нужно поместить в фокальную плоскость коллиматора. Установка на конечном расстоянии имеет тот недостаток, что тест-объекты с низкой частотой должны быть довольно большими. В этом случае обеспечение и контроль равномерности излучения объекта могут вызывать значительные трудности. В рассматриваемой здесь методике предполагается, что при испытаниях используется коллиматор.
Необходимо иметь достаточно большой набор тест-объектов, чтобы перекрыть диапазон пространственных частот системы. Требуется определить положение фокальной плоскости коллиматора и помещать тест-объекты именно в этой плоскости. Излучательные способности объекта и фона должны быть одинаковыми, постоянными и известными. Аппаратура, обеспечивающая получение и контроль приращения температуры, должна быть прокалибрована. Источник нагревания объекта должен быть стабильным, контролируемым и должен обеспечивать пространственную равномерность нагревания +0,01° С. Точность такого же порядка должны обеспечивать приборы, измеряющие температуру. Коллиматор должен иметь диафрагмы, а приемное устройство должно располагаться таким образом, чтобы свести к минимуму блики от окружающих предметов на приемник. Спектральная характеристика и ОПФ коллиматора не должны оказывать нежелательного воздействия на приемное устройство.
Наблюдатель, или наблюдатели, проводящие испытания, должны иметь высокую остроту зрения и нормальное цветовое зрение. Они должны быть хорошо знакомы с тепловыми изображениями и уметь интерпретировать изображение в присутствии шумов. Они должны быть адаптированы на среднюю яркость экрана индикатора, а уровень окружающей яркости в лаборатории должен быть примерно согласован с уровнем яркости экрана. Кроме того, наблюдатели должны иметь достаточный опыт в установке и воспроизведении условий, при которых их способность к различению объектов достаточно высока.
Типичный порядок проведения испытаний следующий. Приемное устройство исследуемой системы помещают на пути пучка лучей из коллиматора и соответствующим образом фокусируют. В поле зрения в известной наблюдателю позиции располагают тест-объект самой низкой частоты и разность температур АТ устанавливают равной 0° С. Затем достаточно медленно сообщают АТ положительные значения, чтобы обеспечить равномерность излучения объекта и точность измерения температуры и чтобы дать наблюдателю достаточное время для принятия правильного решения. Наблюдатель определяет величину А Г, при которой он разрешает штрихи объекта. Затем процедура повторяется для все более высоких частот до тех пор, пока наблюдатель оказывается не в состоянии разрешить штрихи, какова бы ни была АТ. Для определения отрицательной ветви АТ разр: можно использовать отрицательные А7 , достаточно малые, чтобы не нарушить линейность характеристик системы как при положительных, так и отрицательных контрастах (обычно только на низких частотах). Это позволит оценить любые изменения температуры при испытаниях.

• Измерение эквивалентной шуму разности температур

Рассмотрение результатов измерения эквивалентной шуму разности температур АГпор не имеет смысла, если не приведены характеристики ограничивающего шумы электрического фильтра, используемого при измерениях. Для стандартизации и облегчения сравнения желательно использовать однозвенный ЛС-фильтр нижних частот, полоса частот которого (по уровню 3 дБ) равна обратной величине удвоенного времени элемента разложения. Чтобы сохранить высокое качество изображения, электрическая фильтрация шумов в самой системе обычно минимальна, и этот эталонный фильтр часто делают внешним, т. е. он, по существу, является частью экспериментальной установки.
Чтобы учесть в измерениях все источники шумов, принято брать сигналы с последней ступени схемы обработки в аналоговой форме, т. е. до коммутатора или широтно-импульсного модулятора. Если эта точка доступна, проведение испытаний для определения АГпор будет тривиально. Нужно просто сформировать большой квадратный объект, излучающий как черное тело, угловой размер которого в несколько раз превосходит разрешение системы и температура которого больше ожидаемого значения Дпор примерно в 10 раз, а затем измерить полную (от максимума до минимума) амплитуду сигнала и среднеквадратичное значение шума в электронном изображении этого объекта. Величина АГпор определяется тогда как частное от деления разности температур на отношение максимального значения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума. Необходимо обеспечить условия, при которых характеристики системы являются линейными, а помехи, которые не попадают на экран индикатора, такие, как переходные процессы при коммутации или сигналы отметок, появляющиеся в то время, когда трубка индикатора заперта, не оказывают влияния на измерения. Хотя Airnop — довольно сомнительный критерий качества, он, по-видимому, будет еще долго использоваться, поскольку для его измерения не требуется такой сложной аппаратуры и методики, как для определения ОПФ и АГразр и каждый может определить АТор достаточно точно.
ЛИТЕРАТУРА

1. Moon P., The Scientific Basis of Illuminating Engineering, Dover, 1961.
2. Teel R. P., Photometry, Applied Optics and Optical Engineering, R. Kings- lake, ed., Vol. 1, Academic Press, 1965, Ch. 1.
3. Sherr S., Fundamentals of Display System Design, Wiley-Interscience, 1970.
4. Luxenberg H. R., Kuehn R. L., Display Systems Engineering, McGraw- Hill, 1968.
5. Moulton J. R., Wood J. Т., Two-Port Evaluation Techniques Applied to Commercial Imaging Thermographs, Proceedings of the Technical Program, Electro-Optical Systems Design Conference, 1970.
6. Работа, проведенная совместно с Laymon S. F., Blecha B. A., Orlando H. J. в лаборатории ночного видения сухопутных вооруженных сил США (частная публикация).
7. Sendall R. L., Xerox Electro-Optical Systems, Pasadena, California (частное сообщение).
8. Brown D. P., Hughes Aircraft Company, Culver City, California (частное сообщение).
9. Shannon R. R., Newman A. H., Appl. Opt. 2, 365—369 (1963).
10. Jones R. A., Yeadon F. C., Phot. Sciand Eng., 13, 200—204 (1969).
11. Jones R. A., Phot. Sci. and Eng., 11, 102—106 (1967).
12. Schade О. H., Sr., JSMPTE, 73, 81 (1964).
13. Blackman F. S., Phot. Sci. and Eng., 12, 244—250 (1968).
14. Sanders A. A., Modulation Transfer Function Measurements for Infrared Systems (докт. диссертация), The George Washington University, Washington, D.C. 1970.
15. Tatian B., Method for Obtaining the Transfer Function from the Edge Response Function, JOS A, 55, 1014-1019 (1965).
16. Brown E. F., A Method for Measuring the Spatial-Frequency Response of a Television System, JSMPTE, 76, 884—888 (1967).
17. Sawyer L. Н., Honeywell Radiation Center, Lexington, Massachusetts (частное сообщение).