Экспериментальная отработка методик оценки температурного разрешения оптико-электронной аппаратуры в спектральном диапазоне 3 - 14 мкм

Одним из важнейших параметров для инфракрасных систем (ИКС) является эквивалентная шуму разность температур ЭШРТ (NETD — Noise Equivalent Temperature Difference) или пороговая разность температур. Величина NETD входит в перечень критериев качества ИКС, характеризует его энергетическую чувствительность и представляет собой «разность температур объекта и фона, излучающих как черные тела в стандартном тест-объекте, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шумов на выходе стандартного эталонного электронного фильтра системы, рассматривающей тест-объект, равно единице» [1]. Наиболее стандартный вариант тест-объекта для определения NETD представляет собой область квадратной формы [1].
Когда объект засвечивает только часть приемной площадки приемника излучения (ПИ), тогда на ее остальную часть через объектив попадает излучение фона, добавляя радиационный вклад в шумы ПИ. Доля фонового вклада меняется с изменением размера изображения цели, и учет этого в случае ИКС, ограниченной радиационными шумами, необходим. Наличие изменяющегося во времени фона является одной из причин, препятствующих наблюдению. Поэтому при определении NETD угловой размер тест-объекта должен в несколько раз превышать угловой размер пикселя приемника излучения, чтобы обеспечить получение полной реакции ИКС на объект наблюдения.
На ряду с ЭШРТ критерием качества выступает минимальная обнаруживаемая разность температур (МОРТ, Minimum Detectable Temperature Difference — MDTD) — это минимальная разность температур между тест-объектом и фоном, которые излучают как абсолютно черное тело (АЧТ), необходимая для обнаружения изображения тест-объекта, при этом наблюдатель приблизительно знает местоположение тест-объекта и имеет в своем распоряжении достаточное время для его обнаружения. При расчете МОРТ может быть использован тест-объект, аналогичный тест-объекту при измерении ЭШРТ (NETD), однако большое значение имеет размер объекта, который требуется обнаружить. Вопросы обнаружения, распознавания, идентификации и классификации объектов по их тепловизионному изображению описаны в книге [2] и включают в себя субъективные факторы.
При определении МОРТ может использоваться тест-объект в виде одного прямоугольника, имеющего контраст излучения по отношению к окружающему его фону. Величина МОРТ применяется для оценки способности оператора обнаружить на тепловизионном изображении одиночный объект в присутствии внутренних шумов и естественных помех.
Целью проводимых экспериментов были отработка методов оценки температурного разрешения оптико-электронной аппаратуры с использованием современных тепловизоров и моделей черных тел, а также определение зависимости ЭШРТ от температуры фона для спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм.
При оценке МОРТ использовались две модели черного тела (МЧТ), одна из которых имитировала фон, другая – объект. Температура одной из МЧТ менялась с шагом 0,5 °C, при этом записывались файлы изображения для последующей обработки. По полученным изображениям определялась зависимость температурного разрешения от температуры фона, при этом предлагалось, что МОРТ можно определить путем регистрации диапазона температур фона, в котором тест-объект неразличим относительно фона, т.е. фиксировалось две температуры (одна ниже температуры тест-объекта, другая выше) и находилась их разность. МОРТ можно определить, как половину этой разности.
ЭШРТ можно рассчитать с учетом крутизны характеристики преобразования (зависимости выходного сигнала радиометра от температуры образцового излучателя) при заданной температуре фона [3]. В результате проведенных оценок было показано, что ЭШРТ, как функция температуры фона, возрастает с уменьшением температуры фона.
Таким образом, проведена отработка методик оценки ключевых параметров разрабатываемой бортовой аппаратуры ИК диапазона, которые будут применяться при наземной отработке по мере готовности приборов нового поколения, определены состав оборудования и условия проведения испытаний.