СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ, ДАВАЕМЫХ ДЕТЕКТОРОМ, БЕЗ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, И ДЕТЕКТОР, РЕАЛИЗУЮЩИЙ ТАКОЙ СПОСОБ Российский патент 2014 года по МПК G01J5/08 H04N5/217 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области тепловидения и пирометрии, использующей болометры. Более конкретно, изобретение относится к области болометрических детекторов, независимо от диапазона детектирования и типа используемого болометрического материала.

Предпосылки создания изобретения

Детекторы, сконструированные для тепловидения, традиционно изготавливаются как одномерная или двумерная матрица элементарных детекторов или болометров, причем указанные болометры имеют форму мембран, подвешиваемых над подложкой, которая обычно выполняется из кремния, с помощью подвесок, которые имеют высокое тепловое сопротивление. Этот набор подвешенных мембран формирует матричный детектирующий элемент, который обычно называется «сетчаткой».

Подложка обычно включает приспособления для последовательной адресации элементарных детекторов и приспособления для электрического возбуждения элементарных детекторов и предварительной обработки электрических сигналов, сгенерированных этими болометрами. Эта подложка и интегрированные приспособления обычно называются «считывающей схемой».

Для того чтобы получить объект с помощью этого детектора, объект проецируется через подходящее оптическое устройство на сетчатку, которая располагается в фокальной плоскости оптического устройства, и синхронизированное электрическое воздействие прикладывается через считывающую схему к каждому болометру или к каждому ряду таких болометров для того, чтобы получить электрический сигнал, который составляет изображение температуры, достигаемой каждым из указанных элементарных детекторов. Этот сигнал затем обрабатывается в большей или меньшей степени с помощью считывающей схемы, а затем, если это применимо, с помощью электронного устройства вне корпуса для того, чтобы генерировать тепловое изображение наблюдаемого объекта.

Этот тип детектора имеет многочисленные преимущества с точки зрения стоимости его изготовления и реализации, но также имеет недостатки, которые ограничивают работу систем, которые используют такие детекторы. В частности, существуют проблемы, касающиеся однородности получаемого изображения. Действительно, при наличии однородного объекта, не все болометры дают точно один и тот же сигнал, это приводит к получаемому таким образом фиксированному пространственному шуму в изображении, и этот шум оказывает серьезное неблагоприятное воздействие на качество получаемых изображений. Обычно это называется «разбросом значений смещений».

Изображение, полученное от матрицы болометров, затем корректируется в отношении разброса значений смещений путем вычитания из каждого пикселя указанного изображения смещения, соответствующего данному пикселю, которое хранится в «таблице смещений», полученной в ходе калибровки предприятием-изготовителем при воздействии на сетчатку черного тела, имеющего постоянную известную температуру. После этого скорректированное изображение однородного объекта является по существу однородным.

Тем не менее, определение таблицы смещений обычно представляет собой сложную задачу с большими временными затратами. Оно фактически включает наличие детектора с объектом, имеющим известную однородную температуру, стандартно - черное тело с однородной температурой, заботу об обеспечении постоянной температуры сетчатки, которая по существу равна температуре черного тела во время сбора данных.

Также смещение болометра зависит от его температуры, так что, если температура болометра отклоняется от температуры, при которой создавалась таблица смещений, последняя становится неподходящей и коррекция становится неудовлетворительной.

Для того чтобы преодолеть эту проблему, в болометрическом детекторе первого типа фокальная плоскость является фокальной плоскостью с регулируемой температурой, что осуществляется, например, с помощью блока на основе эффекта Пельтье или нагревателя. Цель состоит в обеспечении того, чтобы изменения в температурах болометра вызывались исключительно излучением, исходящим от наблюдаемого объекта.

В первом варианте детектора с фокальной плоскостью с регулируемой температурой регулировка температуры осуществляется на основе единственного заданного значения температуры. Это называется «однотемпературный режим регулировки». Этот вариант имеет преимущество, заключающееся в существенной степени ограниченного рабочего диапазона температур детектора с каждой стороны от указанного заданного значения, таким образом делая возможным использование единственной таблицы смещений. Это ограничивает степень калибровки предприятием-изготовителем. С другой стороны, потребление энергии детектора далеко от оптимального, и это может даже становиться ограничивающим фактором в контексте автономных портативных детекторов. Действительно, когда температура среды, окружающей детектор, существенно отклоняется от заданного значения температуры, значительной является энергия, используемая с целью регулировки температуры. Но не только это, даже если реализуется регулировка температуры, она не может в полной мере обеспечить постоянную температуру. Детектор постоянно испытывает температурные возмущения, происходящие из окружения сетчатки, в особенности корпуса, в котором она размещается; температуры этого корпуса и связанных с ним элементов (оптический блок, диафрагма и т.п.) свободно изменяются как функция излучения и другого взаимного влияния, происходящего из внешнего окружения. Действительно, всегда существуют переходные процессы, которые дают отклонение от заданной температуры, и эти переходные процессы становятся тем сильнее, чем больше температура окружающей среды отклоняется от заданной.

Так как однотемпературный режим регулировки является энергозатратным и становится тем более неточным, чем больше температура окружающей среды отклоняется от единственной заданной температуры фокальной плоскости, создается второй вариант детекторов с регулируемой температурой, называемых «детекторы с многотемпературной регулировкой», которые используют несколько заданных значений температуры таким образом, что разность между температурой окружающей среды и температурой сетчатки остается ниже заранее заданного порогового значения. Это минимизирует потребление энергии для целей регулировки температуры, и неточность коррекции смещения существует независимо от температуры. Однако это предполагает наличие таблицы смещений для каждой заданной температуры. Количество таблиц смещения обычно велико для того, чтобы получить максимальную выгоду из преимуществ режима многотемпературной регулировки, и это включает очень продолжительную калибровку предприятием-изготовителем этих таблиц и, следовательно, значительную стоимость изготовления. Кроме того, при использовании обнаруживается, что промежуточные фазы, когда происходит изменение от первой заданной температуры до второй заданной температуры, обычно вызывают потерю качества изображений, даваемых детектором.

Так как детекторы с регулировкой температуры потребляют большое количество энергии и являются громоздкими и тяжелыми, были созданы детекторы без регулировки температуры, или «неохлаждаемые» детекторы TEC-less, обычно называемые детекторами без термоэлектронного охладителя.

В первом варианте детектора без термоэлектронного охладителя, например описанном в документах EP 1953509 и US 6433333, множество таблиц смещения получается на производстве для различных температур фокальной плоскости на протяжении предполагаемого рабочего диапазона детектора, и они сохраняются в детекторе. Обычно, для того чтобы установить температуру среды, окружающей детектор, он помещается в термостатическую камеру, которая удерживает каждый уровень из набора постоянных температурных уровней на протяжении приблизительно одного часа. Для окончательного анализа этот калибровочный процесс занимает несколько часов, требует термостатической камеры и, следовательно, является особенно дорогостоящим для изготовителя.

В ходе работы детектора измеряется температура в одной точке на подложке, и таблица смещений выбирается из сохраненных таблиц в зависимости от измеренной температуры, или рабочая таблица смещений для измеряемой температуры получается путем интерполяции сохраненных таблиц смещений. Получаемая таким образом таблица смещений, а затем таблица коррекции, следовательно, имеют температурную зависимость. Однако эффективность такой коррекции зависит от соответствия таблицы смещений, которая используется. Действительно, необходимо создать значительное количество таблиц для рассматриваемого диапазона температур, а это является дорогостоящим. Так как было доказано, что использование таблиц смещения является неэкономичным, были разработаны другие виды коррекции.

Во втором варианте детекторов без термоэлектронного охладителя, например описанных в документах US 5756999 и US 6028309, разброс значений смещений болометров корректируется путем приложения к ним варьируемого тока смещения. Действительно, сигнал болометра на выходе зависит непосредственно от тока, который через него протекает. Следовательно, применение этого тока модифицирует непрерывный выходной уровень болометра и, следовательно, величину его смещения. Однако этот тип коррекции включает использование изготовленной по специальным требованиям цепи смещения для каждого болометра, и это делает конструирование схем детекторов намного более сложным и снижает выход готовых изделий. Наблюдается не только это, также имеется наносящее вред ухудшение отношения сигнал-шум. Также этот вид коррекции еще требует таблиц смещения, хотя в ограниченных количествах по сравнению с количеством таблиц, требующимся в первом варианте.

В третьем варианте детекторов без термоэлектронного охладителя, например описанных в документе US 6690013, разброс значений смещений корректируется как функция измеряемых сопротивлений болометров, на основе эмпирической модели. Однако простое измерение электрических сопротивлений пикселей не является репрезентативным для всех причин разброса значений смещений. Следовательно, коррекция, осуществляемая таким образом, является эффективной только частично. Кроме того, эмпирическая модель еще использует таблицы параметров, которые требуют калибровки предприятием-изготовителем, аналогичной калибровке, требуемой при получении таблиц смещения.

Наконец, в четвертом варианте детекторов без термоэлектронного охладителя, например описанных в документе WO 2007/106018, коррекция разброса значений смещений основана на самом реальном объекте, в особенности на использовании временной эволюции информации на объекте, наблюдаемом с помощью детектора. Этот тип коррекции имеет преимущество, связанное с тем, что не требуется какая-либо предварительная калибровка предприятием-изготовителем. С другой стороны, коррекция такого типа является неподходящей для движущихся объектов, потому что, по ее принципу, такая коррекция исключает или, по меньшей мере, серьезно ухудшает детектирование статических элементов или движущихся медленно элементов в объекте. Кроме того, при определенных условиях могут появляться "призрачные" изображения, которые не являются репрезентативными для наблюдаемого объекта.

Документ US-А-2005/0029453 описывает способ обновления таблицы смещений на основе двух изображений от затвора, взятых при работе детектора. Этот способ включает проверку условия для обновления таблицы смещений, например условия, которое относится к изменению температуры, наблюдаемому с тех пор, как таблица смещений последний раз вычислялась, или условия, которое относится к возрасту таблицы смещений, и получение нового изображения от затвора, если условие выполняется. При получении нового изображения затем вычисляется новая таблица смещений как функция этого нового изображения и изображения, полученного во время последнего обновления.

Нужно отметить, что коррекция на основе предварительно откалиброванных таблиц смещения является наиболее эффективной, т.к. значения, содержащиеся в указанных таблицах, непосредственно связаны с измеряемыми смещениями болометров. Кроме того, такая коррекция не включает какие-либо ограничения на работу детектора. Альтернативные коррекции, при которых предпринимаются попытки ограничить или даже исключить таблицы смещения, делает возможным создание более дешевых детекторов без термоэлектронного охладителя, при этом имеющих отрицательное влияние на качество коррекции или налагающих ограничения на использование детектора.

Краткое описание изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить простой эффективный способ коррекции изменения смещения детектора без термоэлектронного охладителя, который не включает какую-либо предварительную калибровку предприятием-изготовителем.

Для достижения этого объект изобретения представляет собой способ коррекции изображений, создаваемых матрицей болометров детектора без регулировки температуры, причем указанная матрица содержит сетчатку болометрических мембран, расположенных в фокальной плоскости оптической системы и подвешенных над подложкой, в которой сформирована считывающая схема, приспособленная выводить поток необработанных значений сигнала, соответствующих каждому болометру в матрице, по отношению к наблюдаемому объекту, при этом детектор также содержит затвор, расположенный между оптической системой и сетчаткой, причем способ включает в рабочем режиме, при котором температурные условия среды, окружающей детектор, свободно меняются:

первый этап закрытия затвора и получения и сохранения в памяти детектора:

текущей таблицы необработанных значений, соответствующих изображению затвора, полученных с помощью матрицы болометров; и

температуры детектора в ходе получения указанной текущей таблицы необработанных значений,

второй этап определения и сохранения в памяти детектора таблицы коррекции смещений для текущей температуры детектора в зависимости от:

текущей таблицы необработанных значений и связанной с ней температуры; и

текущего набора таблиц необработанных значений, соответствующих изображениям затвора, полученных с помощью матрицы болометров, предварительно сохраненных в памяти детектора, и температур детектора, связанных соответственно с каждой из этих таблиц в то время, как они получались, причем указанные температуры сохранены в памяти детектора; и

третий этап коррекции потока необработанных значений с помощью таблицы коррекции смещений.

В соответствии с изобретением способ включает, вслед за получением текущей таблицы необработанных значений, процесс обслуживания текущего набора таблиц необработанных значений, содержащий:

проверку условия для замены таблицы из указанного набора текущей таблицей необработанных значений; и

если указанное условие выполняется, замену таблицы из указанного текущего набора таблиц текущей таблицей необработанных значений и замену температуры получения замененной таблицы температурой получения текущей таблицы необработанных значений.

Эта проверка включает определение на основе, по меньшей мере, одного предварительно заданного критерия, существует ли новый набор таблиц, полученный путем замены таблицы текущего набора текущей таблицей, который является более подходящим, чем текущий набор, по отношению к последующему определению таблицы смещений.

Термин «необработанное значение» здесь употребляется в значении сигнала, полученного от болометра, без применения к нему какой-либо коррекции смещения. Термин «эксплуатация» употребляется в значении процесса принятия решения в отношении активации первого этапа и модификации или немодификации набора необработанных значений и процесса применения этих модификаций в зависимости от принятого решения. Этот процесс принятия решения основан на значениях определенного количества параметров состояния детектора, которые получаются и сохраняются в то же самое время, что и таблицы необработанных значений, и прилагаются к этим таблицам. Этот процесс принятия решений состоит из серий операций по условиям, реализуемых для принятия решения о том, подходящим или нет является «обновление» набора. «Обновление» определяется как увеличение количества N элементов набора и/или модификация, в терминах необработанного значения и/или параметра, по меньшей мере, одного элемента из набора, отличного от элемента, который был получен последним.

Другими словами, изобретение сохраняет концепцию значения коррекции смещения, полученного эмпирически с помощью измерений. Однако эти значения в итоге получаются в то время, когда детектор реально работает, а не в ходе калибровки предприятием-изготовителем, предполагается, что затвор ведет себя так же, как однородное по температуре черное тело, которое используется при калибровке таблиц смещения в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Тогда как, в соответствии с предшествующим уровнем техники, таблицы смещений калибруются в соответствии с очень строгими условиями получения данных для того, чтобы иметь оптимальную точность для значений, которые должны использоваться для коррекции разброса значений смещений, изобретение использует менее строгие условия благодаря затвору, который находится при температуре окружающей среды, нет необходимости какой-либо регулировки температуры. Таким образом, для того чтобы получить необработанные значения, которые используются для вычисления коррекции смещения, нет необходимости регулировать температуру фокальной плоскости. Кроме того, нет необходимости добиваться того, чтобы температура фокальной плоскости по существу равнялась температуре объекта.

В итоге, хотя, на первый взгляд, кажется, что коррекция имеет более низкое качество, чем коррекция на основе таблиц смещения, которые являются точно откалиброванными в условиях предприятия-изготовителя, коррекция разброса значений смещений в соответствии с изобретением в действительности имеет хорошее качество. Как будет показано ниже, в отношении фигур 8 и 9, коррекция в соответствии с изобретением в действительности имеет качество, которое по существу идентично коррекции, полученной на основе точных таблиц с калибровкой предприятия-изготовителя. Следовательно, изобретение бросает вызов обычному предположению, сделанному в этой области, которое явно или неявно понятно из документов, соответствующих предшествующему уровню техники, а именно, что обязательно иметь таблицы, откалиброванные в хорошо контролируемых лабораторных условиях, для того чтобы получить точную коррекцию.

Фактически, благодаря изобретению, нет необходимости обеспечивать калибровку предприятия-изготовителя, и это существенно уменьшает стоимость изготовления детектора, и значения, используемые с целью коррекции, могут получаться в ходе работы детектора.

Польза изобретения следует из трех преимуществ. Детектор работает в режиме без термоэлектрического охладителя, что означает, что расход энергии уменьшается до минимума, калибровка предприятия-изготовителя минимизируется, и качество получаемого изображения довольно удовлетворительное.

Отметим, что способ в соответствии с изобретением отличается от способа, описанного в документе US-А-2205/0029453, в плане пути использования текущей таблицы для обновления набора сохраненных таблиц.

Во-первых, оба способа: в соответствии с изобретением и способ в документе US-А-2205/0029453, используют текущую таблицу для вычисления таблицы смещений. Фактически, в каждый рассматриваемый момент времени считается, что текущая таблица содержит соответствующую (релевантную) информацию.

Однако в соответствии с изобретением и в отличие от способа в документе US-А-2205/0029453 существует дополнительный процесс обновления набора таблиц необработанных значений, который отличается от процесса обновления таблицы смещений и содержит свои собственные критерии.

Действительно, в соответствии с изобретением реализуется проверка для выяснения того, будет ли замена таблицы из набора сохраненных таблиц текущей таблицей подходящей для получения дополнительного выигрыша в качестве, при котором далее таблица смещений будет вычисляться. Этот дополнительный выигрыш определяется по отношению к одному или более объективному критерию/критериям, который/которые основываются только на таблицах, которые являются подходящими для формирования набора таблиц. Преимущественно, но не ограниченно этим, идеальным является, например, получение набора таблиц, которые являются недавними, расположенными с регулярными промежутками в терминах их температур получения, и были получены, когда температура была постоянной.

В документе US-А-2205/0029453 старая таблица систематически заменяется текущей таблицей. Если выполняется условие, связанное с температурой или возрастом таблицы, происходит замена. Нет оценки для выяснения того, является такая замена преимущественной или нет. Например, возможно, что текущая таблица заполнялась данными при нестабильных тепловых условиях и что таблица, данные которой были получены при предыдущем обновлении, также заполнялась данными при нестабильных тепловых условиях. Таблица смещений, рассчитанная на основе этих двух таблиц, при этом имеет очень плохое качество. Если детектор работает в окружающей среде, где меняется температура, например при передвижении от места с высокой температурой к месту с низкой температурой, он будет давать изображение очень плохого качества довольно долго.

Напротив, в соответствии с изобретением текущая таблица не будет систематически заменяться одной из таблиц из набора таблиц, это будет происходить, только если существует таблица, которая оказывается еще хуже.

В итоге, для того чтобы полностью понять способ в соответствии с изобретением и полностью понять способ в соответствии с предшествующим уровнем техники, нужно отметить, что управление «плохим качеством» текущей таблицы, которая систематически используется при вычислении таблицы смещений, реализуется через частоту, с которой сама текущая таблица обновляется, при этом данная таблица всегда является более точной на короткий срок. Например, если существует значительное изменение температуры, температурные условия отслеживаются более часто, и, следовательно, таблица смещений обновляется более часто, но текущая таблица, которая считается менее подходящей, чем все другие таблицы (считается, что она имеет «плохое качество» на основе предварительно определенных критериев), не оставляет какого-либо сохраненного следа в наиболее подходящем наборе, который используется во время последующих коррекций.

В одном варианте реализации текущий набор сохраненных таблиц частично или полностью строится как функция текущих таблиц, данные которых получаются в ходе работы детектора. Таким образом, калибровка предприятия-изготовителя для детектора не осуществляется.

С другой стороны, набор необработанных, используемых по умолчанию значений определяется лишь однажды на одном или более опорных детекторе(ах) и изначально сохраняется в детекторе в соответствии с изобретением. Эти используемые по умолчанию значения затем постепенно заменяются (обновляются) по мере работы детектора. Коррекция тогда является более точной в начале процесса благодаря довольно подходящим используемым по умолчанию значениям, которые первоначально сохранялись. Отметим, что первоначальная калибровка не используется.

В одном варианте реализации изобретения упомянутый по меньшей мере один критерий содержит критерий, относящийся к соответствию этих таблиц текущему рабочему состоянию детектора, в частности критерий, относящийся к давности получения, и/или критерий, относящийся к стабильности температуры во время получения указанных таблиц необработанных значений.

Другими словами, таблица необработанных значений, которая используется в качестве базиса для вычисления таблицы коррекции смещений, может больше не быть точно достоверной после промежутка времени, например, из-за отклонения в характеристиках болометра. Следовательно, преимущество состоит в том, чтобы заменить самые старые таблицы необработанных значений рекуррентно, например периодически, или в зависимости от результата регулярно повторяемой проверки, связанной с давностью. Аналогично, некоторые условия, при которых получаются данные для таблицы необработанных значений, являются неблагоприятными, например таблицы необработанных значений, данные которых получены, когда температура детектора быстро флуктуировала. Следовательно, преимущество состоит в том, чтобы заменить (обновить) таблицы необработанных значений, заполняемых предварительно при таких условиях, если они существуют. Недавние таблицы необработанных значений, заполняемые данными при лучших условиях, и, следовательно, таблица коррекции смещений оптимального качества, таким образом, получаются после того, как детектор использовался на протяжении определенного интервала времени.

В одном конкретном варианте реализации изобретения упомянутый по меньшей мере одни критерий содержит критерий, относящийся к соответствию этих таблиц вычислению таблицы коррекции смещения. В частности, указанный критерий соответствия содержит критерий, относящийся к распределению температур, при которых были получены данные для таблиц с обновлением набора таблиц необработанных значений, предпринимаемым для обеспечения оптимального распределения этих температур внутри температурного диапазона, в котором работает детектор.

Другими словами, качество таблицы коррекции смещений также зависит от способа, которым она рассчитывалась, независимо от измеряемых количеств, используемых в то время, когда она рассчитывалась. Например, если все сохраненные таблицы соответствовали температурам, сгруппированным вокруг данной температуры, вычисление таблицы коррекции смещений для сильно отличающейся температуры путем интерполяции таблиц, которые сгруппированы вместе, будет давать значение с относительно низким соответствием. Построение и рекуррентное обновление набора необработанных значений в соответствии с изобретением, таким образом, позволяет получить оптимальное распределение температур таблиц необработанных значений, используемых для вычисления таблицы коррекции смещений, например путем интерполяции. В частности, реализуются этапы для обеспечения того, чтобы указанные температуры, при которых получаются данные таблиц необработанных значений, регулярно чередовались, например каждые 15°С, на протяжении рабочего диапазона детектора, который обычно изменяется от -20°С до +70°С.

В одном варианте реализации способ также содержит оценку первого условия для обновления таблицы коррекции смещения, которая, если указанное первое условие выполняется, инициирует следующее:

закрытие затвора, получение текущей таблицы необработанных значений и процесс обслуживания текущего набора сохраненных таблиц; и

вычисление новой таблицы коррекции смещений как функции текущей таблицы необработанных значений и набора сохраненных таблиц необработанных значений.

В частности, первое условие для обновления значения коррекции смещения содержит критерий, относящийся к возрасту текущей таблицы необработанных значений, причем указанное первое условие выполняется, в частности, если возраст текущей таблицы превышает заранее заданную длительность. Также, в частности, первое условие для обновления таблицы коррекции смещений содержит критерий, относящийся к разности между текущей температурой детектора (в рассматриваемый точный момент времени) и температурой детектора, связанной с текущей таблицей необработанных значений, причем указанное первое условие выполняется, в частности, если указанная разность превышает первый заранее заданный порог.

Предпочтительно, способ также содержит оценку второго условия для обновления таблицы коррекции смещений, если указанное второе условие обновления выполняется, это инициирует вычисление новой таблицы коррекции смещений как функции текущей таблицы необработанных значений и набора сохраненных таблиц необработанных значений без включения процесса обслуживания. В частности, второе условие для обновления значения коррекции смещений содержит критерий, относящийся к разности между текущей температурой детектора и температурой детектора, которая была при последнем вычислении таблицы коррекции смещений, причем указанное второе условие удовлетворяется, в частности, если указанная разность превышает второй заранее заданный порог, который меньше, чем первый порог.

Другими словами, рабочее состояние детектора может изменяться с последнего момента вычисления значений коррекции смещений. Следовательно, желательно обновлять значения коррекции смещений. Тем не менее, при определенных условиях, последние текущие необработанные значения могут оставаться истинными, особенно, если температура детектора в настоящий момент остается очень близкой к температуре, при которой были получены текущие необработанные значения, например, если температура детектора не изменялась более, чем на несколько десятых градуса.

Другими словами, значение коррекции смещений вычисляется заново, только если это считается полезным сделать в соответствии с конкретными условиями. Это помогает избежать дополнительного шума, связанного с тщательным, очень частым повторным вычислением для того, чтобы получить более подробную выборку любых изменений в среде, а также уменьшает потребление энергии системой. Значение коррекции смещений, таким образом, считается истинным либо вблизи температуры, для которой оно рассчитывается, либо/и для заранее заданной длительности. Можно видеть, что изобретение делает возможным непосредственное использование наиболее подходящих данных для вычисления значения коррекции смещения, в особенности данных, относящихся к текущей температуре детектора.

В одном конкретном варианте реализации изобретения таблица коррекции смещений включает вычисление таблицы необработанных значений путем интерполяции текущей таблицы необработанных значений и заранее заданного количества таблиц из набора сохраненных таблиц необработанных значений, и вычисление значения коррекции смещения осуществляется в соответствии с уравнением:

где O_n представляет собой значение в таблице коррекции смещений, представляет собой среднее значение интерполированной таблицы необработанных значений, G_n представляет собой заранее заданный поправочный коэффициент для коррекции коэффициента усиления болометра, соответствующего указанному значению O_n, и S_interp(Tamb)_n представляет собой необработанное значение, которое соответствует указанному значению O_n интерполированной таблицы.

Объектом изобретения также является термочувствительный элемент без регулирования температуры, содержащий:

матрицу болометров, содержащую сетчатку из болометрических мембран, подвешенных над подложкой, в которой сформирована считывающая схема, приспособленная выводить в виде сигнала поток необработанных значений, который соответствует каждому болометру в матрице, в отношении наблюдаемого объекта, и которая располагается в фокальной плоскости оптической системы;

по меньшей мере, один датчик температуры, приспособленный измерять температуру в одной точке на подложке;

управляемый затвор, приспособленный формировать однородную картину на сетчатке;

средства обработки информации, содержащие:

средство хранения, способное сохранять текущую таблицу необработанных значений и текущий набор таблиц необработанных значений, соответствующих изображениям затвора, полученным с помощью матрицы болометров, и температурные измерения, выводимые датчиком температуры в моменты времени, когда получаются указанные таблицы;

средство для вычисления таблицы коррекции смещений в зависимости от текущей температуры детектора, текущей таблицы необработанных значений и набора предварительно сохраненных таблиц необработанных значений; и

средство для коррекции потока необработанных значений с помощью таблицы коррекции смещений.

В соответствии с изобретением устройство обработки информации также содержит средство для применения обслуживания текущего набора сохраненных таблиц необработанных значений и таблицы коррекции смещений, причем указанное средство обслуживания приспособлено:

активировать закрытие затвора, за чем следует получение данных и сохранение новой текущей таблицы необработанных значений, соответствующих затвору и измерению температуры, полученному от датчика в момент времени, когда получаются данные для новой текущей таблицы; и

проверять условие для замены таблицы из указанного текущего набора текущей таблицей необработанных значений; и

если указанное условие выполняется, заменять таблицу из указанного текущего набора таблиц текущей таблицей необработанных значений и заменять температуру получения замененной таблицы полученной температурой текущей таблицы необработанных значений.

Эта проверка включает определение на основе, по меньшей мере, одного заранее заданного критерия того факта, существует ли новый набор таблиц, полученный заменой таблиц текущего набора текущей таблицей, который является более подходящим, чем текущий набор по отношению к последующему определению таблицы смещений.

Другими словами, детектор способен использовать способ упомянутого выше типа.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более понятным с помощью следующего описания, которое дается просто в качестве примера и относится к сопровождающим чертежам, на которых:

фигура 1 представляет собой схематичный вид детектора в соответствии с изобретением;

фигуры 2 и 3 являются логическими блок-схемами, которые иллюстрируют один способ, используемый детектором на фигуре 1,

фигура 4 иллюстрирует температурные критерии, которые используются при обновлении таблиц, используемых для вычисления значений коррекции смещений в соответствии с изобретением;

фигуры с 5 по 7 иллюстрируют этапы при вычислении критерия стабильности температуры в соответствии с изобретением; и

фигуры 8 и 9 соответственно иллюстрируют температурный профиль, заданный на болометрах, и отношение остаточного фиксированного пространственного шума к временному шуму, полученное при реализации изобретения, с указанным температурным профилем.

Описание предпочтительных вариантов реализации

Следующее описание описывает один предпочтительный вариант реализации изобретения, который считается оптимальным в плане оптимизации частоты, с которой закрывается затвор (и, следовательно, пропадает изображение), и точности коррекции.

Тем не менее, должно быть понятно, что существуют два отдельных условия обновления, даже если кажется, что они перекрываются во времени, в варианте реализации, который описывается ниже: одно относится к обновлению таблицы смещений и другое относится к обновлению набора таблиц необработанных значений.

Очевидно, возможно представить реализацию обоих этих обновлений параллельно и последовательно.

Фигура 1 схематично изображает болометрический детектор в соответствии с изобретением. Этот детектор не имеет температурной регулировки и детектирует излучение от объекта, который должен наблюдаться в инфракрасном диапазоне.

Детектор содержит матрицу 10 из элементарных термочувствительных элементов или болометров, каждый из которых содержит болометрическую мембрану, подвешенную над подложкой с помощью поддерживающих наклонных и термически изолированных подвесов.

Считывающая схема 20 и датчик температуры 30 также сформированы на подложке, а подвешенные мембраны болометров коллективно формируют матрицу сетчатки, расположенную в фокальной плоскости оптической системы 40. Управляемый затвор 50 также предусмотрен на оптическом пути между оптической системой 40 и матрицей 10 болометров. Считывающая схема 20 создает цифровой поток видеоданных, который представляет тепловое изображение наблюдаемого объекта, сформированное оптической системой 40, а датчик температуры 30 выводит оцифрованный сигнал, который представляет измеренную температуру и который связан с потоком видеоданных. Выходные сигналы схемы 20 управляются, например, с помощью образца и удерживаются после мультиплексирования таким методом, который известен из предшествующего уровня техники. Расположение и действие компонент, описанных выше, является стандартным и не объясняется более детально с целью краткости.

Данные на выходе считывающей схемы 20 представляют собой «необработанные» данные, т.е. данные, предшествующие любой аналоговой или цифровой обработке, предпринимаемой с целью коррекции дефектов в болометрах. Пиксель в изображении в потоке видеоданных, созданном схемой 20, следовательно, соответствует необработанному значению, полученному от болометра.

Высокоскоростная вычислительная схема 60, такая как процессор цифровых сигналов (DSP), подсоединяется к выходу считывающей схемы 20 и применяет коррекцию смещения и коэффициента усиления к каждому изображению в этом потоке для того, чтобы скорректировать разброс значений смещений и разброс значений коэффициентов усиления болометров в матрице 10. Эта коррекция традиционно называется «двухточечной коррекцией» и предпочтительно реализуется в соответствии с уравнением:

,

где:

S_brut(i,j) представляет собой необработанное значение пикселя, имеющего координаты (i,j) в изображении, в потоке видеоданных, выводимом схемой 20;

S_cor(i,j) представляет собой значение пикселя (i,j), скорректированное в отношении разброса значений смещений и разброса значений коэффициентов усиления;

O(i,j) представляет собой поправочный коэффициент для пикселя (i,j), сохраненный в таблице 81 смещений в блоке памяти 80, связанном с высокоскоростным DSP 60; и

G(i,j) представляет собой поправочный коэффициент для пикселя (i,j), сохраненный в таблице 82 коэффициентов усиления в блоке памяти 80.

Блок памяти 80 также способен сохранять заранее заданное количество М+1 конкретных таблиц необработанных значений, которые называются здесь далее таблицами 83, 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_M «затвора», которые соответствуют изображениям, созданным считывающей схемой 20, которые формируются, когда затвор 50 закрывается. Каждая из таблиц 83, 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_M затвора сохраняется с параметрами, которые характеризуют получение в ней данных, в частности момент времени, в который она была получена, и температуру, измеряемую датчиком 30 в момент указанного получения, а также параметры, которые характеризуют качество получаемых данных, как это будет объяснено подробно позже.

Также предусмотрен блок 70 обслуживания и вычислений. Этот блок, который будет называться ниже просто «блок 70», подсоединен к затвору 50, считывающей схеме 20 и блоку памяти 80. Блок 70 содержит память 72 для сохранения промежуточных вычислений, используемых для того, чтобы получить таблицы в памяти 80, и внутренние часы 74 для маркировки по времени событий, которые происходят при вычислении различных таблиц, как будет объяснено подробно позже.

Содержание области памяти, зарезервированной для таблиц смещений и таблиц затвора блока 80, предпочтительно свободно (неопределенно или произвольно), когда детектор выходит с предприятия-изготовителя. Таблица 81 смещений и таблицы 83, 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора (N<=M) постепенно формируются в этом пространстве (получаются и сохраняются в зависимости от их первоначального содержания или, другими словами, инициализируются), а затем обновляются, только когда детектор функционирует, без какой-либо предварительной калибровки перед его первым использованием.

Для двухточечной коррекции, используемой высокоскоростным DSP 60 в соответствии с уравнением (1), таблица 82 коэффициентов усиления обычно калибруется предприятием-изготовителем. Для достижения этого получаются первое и второе выходные изображения со считывающей схемы 60 первого и второго однородного по температуре черного тела соответственно; первое черное тело имеет температуру ниже, чем второе черное тело, и матрица 10 болометров находится в окружающей среде с идентичной опорной температурой.

Напоминаем читателю, что здесь термин «температура окружающей среды» обозначает температуру, при которой находятся фокальная плоскость детектора и, следовательно, его сетчатка. Температура окружающей среды отличается от температуры болометров, которая зависит от излучения, падающего на сетчатку для детектирования и, следовательно, не может быть использована как мера температуры окружающей среды.

Поправочный коэффициент для коэффициента усиления G(i,j) для пикселя (i,j) затем вычисляется в соответствии с уравнением:

,

где:

S₁(i,j) представляет собой значение пикселя (i,j) в первом изображении;

S₂(i,j) представляет собой значение пикселя (i,j) во втором изображении;

и S₂ - среднее значение по всей таблице S1 или S2.

Блок 70 управляет содержанием таблиц 83, 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора и вычисляет таблицу 81 смещений в зависимости от таблиц 83, 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора при использовании способа, описываемого сейчас в соответствии с изобретением, со ссылкой на логические блок-схемы фигур 2 и 3.

Вслед за включением детектора на этапе 100, блок 70 управляет на этапе 102 получением новой таблицы затвора путем закрытия затвора 50 и сохранения изображения (таблицы необработанных значений) из выходного потока считывающей схемы 20 в памяти 72 блока 70, где сохраненная таблица заменяется этой новой таблицей затвора. В то же самое время, при сохранении указанной таблицы, температура T_amb подложки, измеренная датчиком 30 в момент времени, когда получались данные таблицы t_acqui, и этот момент времени сохраняются в памяти 72.

Преимущественно, параметры, которые характеризуют качество получения новой таблицы затвора, также оцениваются и сохраняются вместе с новой таблицей и, более конкретно, стабильность температуры во время получения. В соответствии с изобретением стабильность температуры во время получения вычисляется с помощью критерия стабильности, который по существу называется «критерием стабильности температуры» и объясняется более подробно в дальнейшем.

Для достижения этого одновременно с процессом обслуживания блок 70 периодически берет выборки сигнала температуры, обычно каждую вторую, и использует эту временную дискретизацию, которая включает момент, в который была получена новая таблица затвора, для оценки параметра так называемой «стабильности температуры». Блок 70 сохраняет этот параметр в памяти 72 в форме параметра, связанного с новой таблицей затвора.

Затем способ продолжается заменой на этапе 104 таблицы 83 затвора полученной вновь таблицей, сохраненной в памяти 72 блока 70. Таким образом, очевидно, что эта таблица 83 затвора представляет собой наиболее свежую таблицу из таблиц, сохраненных в памяти 80, она объявляется текущей таблицей затвора или текущей таблицей.

Продолжением этапа 104 является этап 106, в ходе которого оценивается ряд условий для обновления таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N, и таблицы обновляются, если одно из условий удовлетворяется. Более конкретно, определяется, должна ли таблица 83 добавляться к существующим таблицам 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N или она должна замещать одну из них, как будет объяснено подробно позднее.

Затем способ продолжается обновлением на этапе 108 таблицы 81 смещений. Обновление таблицы 81 смещений преимущественно осуществляется путем полиномиальной интерполяции текущей таблицы 83 и n таблиц из N доступных таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N. Например, целью изобретения является получение семи таблиц (N=7) 84₁, 84₂, 84₃, …, 84₇, но интерполяция выполняется в момент, когда доступны пять таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84₅, в зависимости от текущей таблицы 83, и две таблицы выбираются из ряда 84₁, 84₂, 84₃, …, 84₅, т.е. интерполяция между тремя таблицами затвора. Понятно, что после работы детектора на протяжении достаточного интервала времени количество таблиц N будет достигать заранее заданного значения M=7, и две таблицы будут отбираться для интерполяции из семи таблиц в ряду 84₁, 84₂, 84₃, …, 84₇.

Блок 70 затем считывает измерение «текущей» температуры (в рассматриваемый момент времени), выводимой датчиком 30, и выполняет оценку в зависимости от нее путем интерполяции каждого элемента в так называемую «интерполированную таблицу», которая сохраняется в памяти 72 блока 70.

Если количество таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора недостаточно для полиномиальной интерполяции, как в случае, когда детектор впервые вступает в действие, например, если никакая таблица по умолчанию предварительно не сохранялась перед выходом с производства, степень интерполяции подбирается таким образом, чтобы она соответствовала количеству таблиц в блоке памяти 80.

Таким образом, если только текущая таблица 83 присутствует в блоке памяти 80, на этапе 112 устанавливается интерполированная таблица как равная текущей таблице 83 (ветвь «1» этапа проверки 110, проверяющего количество таблиц, присутствующих в блоке памяти 80). Если две таблицы (в этом случае - 83 и 84₁) присутствуют в блоке памяти 80, интерполяция первого порядка используется на этапе 114 (ветвь «2» этапа проверки 110). Другими словами, используется второй порядок интерполяции на этапе 116, если блок памяти 80 содержит по меньшей мере три таблицы затвора (в этом случае 83, 84₁ и 84₂; ветвь «3» этапа проверки 110).

Если блок памяти 80 заполняется на предприятии-изготовителе перед вводом в эксплуатацию, по меньшей мере, с двумя таблицами по умолчанию 84₁, 84₂ преимущественно не возникает необходимости в реализации ветвей «1» и «2» на этапе проверки 110.

n таблиц затвора, отбираемых из N сохраненных таблиц, выбираются как функция температуры получения данных таблиц, и/или как функция их температуры по отношению к температурам соседних таблиц, и/или как функция стабильности их температуры. Однако могут использоваться другие типы критериев для выбора таблиц затвора, которые предназначаются для вычисления интерполяции.

Заметим, что, так как текущая таблица 83 регулярно или периодически обновляется, как будет объяснено подробно позже, законно спросить, существует ли какая-нибудь необходимость интерполяции и, следовательно, в конечном счете, какая-либо необходимость получать и сохранять таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, особенно при условии, что интерполяция использует большие количества вычислительных ресурсов. Небольшое изменение в температуре окружающей среды (например, несколько десятых градуса) приводит к сильному изменению необработанного значения выходного сигнала схемы 20, следовательно, имеется польза от интерполяции при «текущей» температуре окружающей среды, на основе последней полученной таблицы затвора 83, это наиболее точная таблица, используемая для вычисления таблицы смещений. Кроме того, преимущественно обновлять текущую таблицу 83 очень часто, так как детектор не работает при закрытом затворе 50.

По завершении интерполяции способ продолжается на этапе 118 путем вычисления новой таблицы смещений 81 как функции полученной интерполированной таблицы. Каждый элемент (i,j) в таблице 81 смещений предпочтительно обновляется в соответствии с уравнением:

,

где:

S_interp(i,j) представляет собой значение в интерполированной таблице S_interp для ее элемента (i,j); и

представляет собой среднее значение элементов в интерполированной таблице S_interp.

Значения O(i,j) сохраняются постепенно по мере прохождения вычислений во временной таблице, сохраняемой в памяти 72 блока 70, и эта временная таблица затем заменяет на этапе 120 таблицу 81, когда все ее элементы вычислены. Новая таблица 81 смещений затем используется для коррекции выходного потока видеоданных от считывающей схемы 20.

Этап 120 затем продолжается этапом 122, на котором оценивают условие для обновления таблицы смещений 81. Хотя обновление этой таблицы автоматически инициируется вслед за включением детектора, условия работы детектора и, в частности, температурные условия и рабочее состояние болометров могут изменяться при использовании детектора.

Более конкретно, на этапе 124 осуществляется проверка для того, чтобы решить, запросил ли пользователь обновление таблицы 81 смещений. Такое требование, например, может быть реализовано путем активации средства управления, которым специально для этой цели обеспечивается корпус детектора, или оно может быть реализовано через человеко-машинный интерфейс (MMI), которым оборудован детектор. Если такое требование реализовано, затем инициируется этап 108 для обновления таблицы смещений.

Пользователь также может требовать получения новой таблицы затвора с помощью другой команды MMI на этапе 125. Если такое требование реализовано, затем инициируется этап 102 для получения новой таблицы затвора.

В противном случае показание часов 74 блока 70 считываются на этапе 126, затем считанное показание часов сравнивается на этапе 128 с моментом, в который была получена текущая таблица 83, сохраненная вместе с ним. Если время, которое прошло с последнего момента, когда текущая таблица 83 и, следовательно, таблица 81 смещений, обновлялись в описанном варианте реализации, превышает заранее заданную длительность Δt_min, равную, например, 15 минутам, инициируется этап 102 для получения новой таблицы 83 затвора.

Если этот случай не реализуется, затем на этапе 130 считывается текущая температура, измеренная датчиком 30, затем, на этапе 132, измеренная температура сравнивается с температурой получения текущей таблицы 83, сохраненной вместе с ней. Если абсолютная величина разности между этими двумя температурами превышает первый заранее заданный порог ΔTamb_{_}shut_{_}min_, равный, например, 1°С, инициируется этап 102 для получения новой таблицы затвора 83.

В противном случае абсолютная величина разности между двумя температурами на этапе 134 сравнивается со второй заранее заданной пороговой величиной ΔTamb_{_}int_{_}min, которая меньше, чем первая заранее заданная пороговая величина ΔTamb_{_}shut_{_}min, и равна нескольким десятым градуса, например 0,2°С. Если разность меньше, чем вторая пороговая величина ΔTamb_{_}shut_{_}min, способ реализуется путем ответвления на этап 124 для того, чтобы повторно оценить условия для обновления таблицы 81 смещений.

С другой стороны, если разность превышает вторую пороговую величину ΔTamb_{_}shut_{_}min, способ реализуется путем ответвления на этап интерполяции 108 для того, чтобы вычислить новую интерполяционную таблицу (и, следовательно, затем новую таблицу 83 смещений) для текущей температуры, измеряемой с помощью датчика 30, которая отличается от температуры в текущей таблице 83 и, следовательно, температуры, при которой вычислялась текущая сохраненная таблица 81 смещений.

Таким образом, очевидно, что таблица смещений 81 обновляется, когда ее достоверность ставится под угрозу, например, из-за того, что она слишком устарела или происходили значительные изменения температуры.

Условия обслуживания для таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора и метод, которым они обслуживаются, что реализуется на этапе 104, теперь будут описаны со ссылкой на логическую блок-схему на фигуре 3 и график на фигуре 4.

Фигура 4 иллюстрирует, более конкретно, различные температурные критерии, применяемые при обслуживании таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N. С целью простоты и для того, чтобы не делать изобретение сложным для понимания, таблицы затвора набора, сохраненного здесь, представлены на оси y с помощью скалярной величины (которая представляет произвольное необработанное значение для любого болометра), и по оси x представлена связанная с ними температура получения. Наконец, белые квадраты обозначают таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N, и черные квадраты обозначают различные примеры текущих таблиц 83.

В итоге, эта фигура иллюстрирует случай, когда существуют, по меньшей мере, две полученные таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора. Как утверждалось выше, это преимущественно, если когда детектор первоначально включается в работу, существуют две предварительно сохраненные на предприятии-изготовителе таблицы по умолчанию 84₁ и 84₂.

Если существует только одна сохраненная таблица 84₁, получение данных, связанных с затвором, инициируется на этапе 102, и новая полученная таблица сохраняется как текущая таблица 83 на этапе 106. Затем проверка 200 на этапе 104 вызывает ветвление «А» на этапе 104, что будет описано подробно позже для общего случая.

Когда детектор включается первый раз, никакой таблицы затвора не сохранено в памяти 80. Первоначальное получение данных инициируется на этапе 102, и заново полученная таблица сохраняется как текущая таблица 83 на этапе 106. Когда таблицы затвора обновляются на этапе 104, таблица 83 затем сохраняется (копируется) как первая таблица 84₁ затвора.

Этап 104 начинается на этапе 200 путем проверки того, попадает ли температура получения текущей таблицы 83 внутрь диапазона температур, определяемого самой низкой температурой и самой высокой температурой, связанными с таблицами 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора.

Если температура получения не попадает внутрь указанного диапазона (ветвь «А» проверки 200), осуществляется новая проверка на этапе 202 для того, чтобы решить, является ли абсолютная величина разности между температурой получения текущей таблицы 83 и ближайшей температурой получения среди температур таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N меньшей, чем величина первого температурного порога ΔTamb_{_}min.

Если это выполнено, (ветвь «А1» проверки 202), текущая таблица 83 заменяется (или копируется) в таблицу затвора, имеющую самую близкую температуру. Величина температурного порога ΔTamb_{_}min всегда ниже, чем величина температурного порога ΔTamb_{_}shut_min, и предпочтительно выбирается как приблизительно 0,9°С для величины ΔTamb_{_}shut_min, равной 1°С.

С другой стороны, этот порог может быть изменяем как функция, в частности рабочего диапазона температур детекторов, номинального количества M таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, с которыми, как ожидается, работает детектор, и пороговой величины ΔTamb_{_}shut_min для разности температур между двумя операциями для получения текущей таблицы.

Если разность в абсолютной величине температуры таблицы 83 и ближайшей из таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N превышает пороговую величину ΔTamb_{_}min (ветвь «А2» проверки 202), на этапе 206 реализуется проверка выяснения того, равно ли количество таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N, полученных к настоящему моменту, заданному количеству M таблиц затвора. Если это не выполнено, затем, на этапе 208, добавляется текущая таблица 83 к таблицам 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N, которые уже были получены.

Если M таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N уже было получено (N=M), способ реализуется путем оценки условия для замены одной из них путем копирования текущей таблицы 83.

Более конкретно, таблица затвора, которая заменяется, будет выбираться в соответствии с ее степенью устаревания. Указанная степень устаревания таблицы затвора будет, например, оцениваться в форме того, сколько раз детектор включался с тех пор, как указанная таблица была получена. Это число обновляется путем увеличения каждый раз, когда детектор запускается заново. На этапе 210 реализуется проверка для установления того, какая из таблиц затвора 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N связана с количеством запусков при превышении заранее заданной пороговой величины.

Выбираемая таким образом таблица заменяется на этапе 212 текущей таблицей 83. Таким образом гарантируется то, что таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора являются достаточно свежими, чтобы они считались подходящими для вычисления таблицы 81 смещений. Известно, что характеристики болометров, особенно их смещение, испытывают очень медленный дрейф с течением времени. Следовательно, смещения изменяются с течением времени даже для одной и той же температуры, и, следовательно, преимущественно отдать предпочтение свежим таблицам затвора как базису для вычисления смещений.

Если считается, что все таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затворов являются достаточно свежими, на этапе 214 тогда реализуется проверка для того, чтобы установить, превышает ли критерий стабильности температуры текущей таблицы 83 наименьший из критериев стабильности таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, тем самым признается факт, что условия, при которых получалась таблица 83, были лучше, чем условия, при которых получалась таблица затвора, имеющая наименьший критерий, и что текущая таблица 83 является, следовательно, более подходящей, чем последняя.

Пример критерия стабильности температуры теперь будет описан по отношению к фигуре 5.

Как ранее описывалось, данные температуры окружающей среды Tamb получаются периодически, например каждую секунду, с помощью датчика 30, независимо и в то же самое время, как получаются новые таблицы затвора и обновляется таблица смещений. Производная по времени dTamb/dt (фигура 5) и величины Sb и S, описанные ниже, также вычисляются вслед за получением данных температуры Tamb с помощью датчика 30 и сохраняются в памяти 72.

Если производная по времени от температуры dTamb/dt попадает внутрь заранее заданного диапазона [-ΔS;+ΔS], переменная Sb устанавливается равной заранее заданной положительной величине α, в противном случае она устанавливается равной заранее заданной отрицательной величине β (фигура 6). Переменная Sb затем интегрируется по времени и ограничивается пределами от 0 до 100; изменения в интеграле S переменной Sb показаны на фигуре 7. Значение 0 интеграла S показывает, что стабильность температуры во время получения данных была относительно плохой, в то время как значение 100 интеграла S показывает особенно хорошую стабильность. Предпочтительно, величина β превышает абсолютное значение величины α. Таким образом, интеграл S уменьшается быстрей, чем он увеличивается, для того чтобы придать больший вес значениям производной dTamb/dt, которые не лежат внутри диапазона [-ΔS;+ΔS]. Например, переменной S требуется 10 минут, чтобы достичь верхний предел 100, начиная с 0, но требуется 3 минуты, чтобы достичь нижний предел, начиная со 100.

Значение критерия температурной стабильности полученной таблицы затвора затем задается, например, с помощью величины переменной S в момент получения данных t_acqui, который обозначен 80 в примере на фигуре 7.

Со ссылкой опять на фигуру 3, на этапе 214 принимается решение, превышает ли критерий стабильности текущей таблицы 83 наименьший критерий стабильности всех сохраненных таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора.

Если этого не происходит, текущая таблица 83 не сохраняется на протяжении интервала времени в таблице 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора. Таблица 83 только используется для вычисления последующей интерполяции до следующего получения данных на этапе 102 таблицы затвора, которая будет заменять ее на этапе 104.

Если это выполнено, текущая таблица 83 заменяет одну из таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора путем копирования. Для того чтобы выбрать таблицу затвора, которая заменяется, другая проверка реализуется на этапе 216 для установления того, существует ли единственная таблица, критерий стабильности которой равен или меньше чем критерий стабильности текущей таблицы 83. Если это выполнено, эта единственная таблица затвора заменяется на этапе 212 текущей таблицей 83. Если это не выполнено, т.е. существует несколько таблиц затвора, которые имеют критерий стабильности, равный или меньший, чем у текущей таблицы 83, таблица затвора, которая имеет самый ранний момент получения данных из этих таблиц, заменяется на этапе 213 текущей таблицей 83.

Порядок во времени, в котором получаются данные таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, идентифицируется, например, с помощью числа, которое увеличивается для всех таблиц, когда одна из таблиц добавляется или заменяется. Самое большое число при этом соответствует таблице, данные которой получались наиболее давно.

Если температура получения текущей таблицы 83 попадает в диапазон температур, определяемый самой низкой температурой и самой высокой температурой, связанными с таблицами 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора (ветвь «В» проверки 200), осуществляется проверка на этапе 218, чтобы установить, отличается ли температура получения текущей таблицы 83, в терминах абсолютной величины, от всех температур таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора на, по меньшей мере, величину порогового значения ΔTamb_{_}min. Если условие выполнено (ветвь «В2» проверки 218), способ возвращается к этапу проверки 206 для установления того, нужно ли добавлять или заменять таблицу.

Если условие не выполняется (ветвь «В1» проверки 218), т.е. существует, по меньшей мере, одна таблица 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, имеющая температуру, которая менее чем на ΔTamb_{_}min близка по температуре к таблице 83, осуществляется проверка на этапе 220 для установления того, выполнено ли условие, что количество тех таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора, температура которых менее чем на величину ΔTamb_{_}min близка к температуре общей таблицы 83, больше или равно 2. Если это условие выполнено, то таблицы 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора не заменяются текущей таблицей 83.

Если условие не выполнено, т.е. только одна из таблиц 84₁, 84₂, 84₃, …, 84_N затвора менее чем на ΔTamb_{_}min близка по температуре к текущей таблице 83, проверка, аналогичная проверке 210, относящаяся к возрасту таблицы, осуществляется на этапе 222 для того, чтобы заменить на этапе 224 самую старую таблицу таким методом, как описан выше.

Если возрастной критерий не принимается, на этапе 226 осуществляется проверка, аналогичная той, которая использовалась при проверке 214. Затем осуществляется замена на этапе 224 таблицы затвора на основе критерия стабильности температуры таким методом, как описан выше.

Эксперименты были проведены для того, чтобы установить достоверность изобретения.

В частности, детектор в соответствии с изобретением размещался перед черным телом, имеющим однородную температуру 40°С, при этом его фокальная плоскость имеет температурный профиль, показанный на фигуре 8, после установления его внутрь камеры для климатических испытаний. Очевидно, что температура фокальной плоскости изменяется от -15°С до +60°С при последовательных шагах по уровню температуры с градиентами между последовательными шагами порядка ±1,5°С/мин.

Таблица смещений обновлялась каждые 15 минут, и/или каждый раз измерялось изменение температуры на 1°С, таблицы затвора и таблица смещений обновлялись методом, описанным выше: закрытие затвора, получение новой текущей таблицы, обслуживание таблиц затвора и т.д.

Критерием, принятым для того, чтобы квалифицировать эффективность способа в соответствии с изобретением, является отношение остаточного фиксированного пространственного шума (BSFR) к временному шуму (BRMS). Фигура 9 иллюстрирует это отношение в ходе теплового периодического изменения на фигуре 8, в соответствии с предшествующим уровнем техники, использующим таблицы смещения, калиброванные предприятием-изготовителем, и в соответствии с изобретением. Очевидно, что отношение BSFR к BRMS в соответствии с изобретением по существу равно отношению BSFR к BRMS в соответствии с предшествующим уровнем техники и изменяется от 1 до 2; это представляет очень удовлетворительный результат и демонстрирует эффективность способа коррекции в соответствии с изобретением.

Вариант реализации, который использует «двухточечную» коррекцию, описывается выше. С другой стороны, используется «одноточечная» коррекция, она корректирует только разброс значений смещений. В этом случае таблица коэффициентов усиления 82 исключается.

Аналогично, несколько значений температуры может быть получено в различных точках детектора (например, одно измерение в одной точке на подложке, одно измерение в точке на корпусе, который содержит сетчатку и подложку и т.п.) для лучшей фиксации кратковременных температурных явлений. В таком случае интерполяция таблиц является многомерной.

Аналогично, предпочтительный порядок приоритета для критериев эксплуатации таблицы затвора описывается выше (разность температур, устаревание, стабильность, относительный возраст). Очевидно, может быть выбран другой порядок приоритета.

Аналогично, могут быть использованы другие критерии.

Изобретение имеет следующие преимущества:

работа детектора без регулировки температуры в широком диапазоне температур;

очень простая, быстрая калибровка предприятия-изготовителя, поскольку калибровка не включает размещение детектора в термостатическом окружении со стабилизацией на протяжении длительных периодов за счет удержания различных целевых температур окружающей среды Tamb. Следовательно, время, необходимое для калибровки детектора, значительно уменьшается по сравнению с детекторами в соответствии с предшествующим уровнем техники, которые используют предварительно откалиброванные таблицы смещений. В частности, в случае «двухточечной» коррекции, калибровка уменьшается до калибровки единственной таблицы коэффициентов усиления. Это также приводит к снижению стоимости оборудования и работы и, следовательно, значительно уменьшает стоимость изготовления таких детекторов;

интерполяция таблиц затвора при различных температурах и рекуррентное использование этих таблиц делает возможным, в частности:

получение изображений хорошего качества с частотой закрытия затвора, которая уменьшается до необходимого минимума, т.е. для низкой частоты потери изображения;

управление модуляциями температуры сетчатки с помощью сохраняемых изображений, которые демонстрируют относительно малые пространственные изменения в ходе этих модуляций;

получение скорректированных изображений, имеющих качество, которое не зависит от пространственного дрейфа (т.е. от одного болометра к другому) или на протяжении всего времени дрейфа матрицы болометров, полученного путем классической калибровки смещений, так же, как и дрейфа, связанного с электронной схемой управления;

использование единой таблицы коррекции коэффициента усиления для всех температур, это упрощает и ускоряет вычисления;

считывающая схема, используемая детектором в соответствии с изобретением, является относительно простой и свободной от какого-либо частичного усложнения, которое, по всей вероятности, неблагоприятно влияет на выпуск продукции предприятием-изготовителем. Также объем памяти, требуемый для реализации изобретения, ограничивается чистым минимумом необходимого, и это уменьшает стоимость и сложность всей системы.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Детектор без регулирования температуры, содержащий матрицу подвешенных болометров, расположенных в фокальной плоскости линзы, считывающую схему, создающую поток необработанных значений, и затвор.

Способ корректировки необработанных значений, включающий:

следующий за закрытием затвора первый этап (102) для получения текущей таблицы необработанных значений;

второй этап (108) определения таблицы коррекции смещений для текущей температуры детектора как функции текущей таблицы и набора сохраненных таблиц необработанных значений; и

третий этап (60) корректировки потока необработанных значений с помощью таблицы коррекции смещений.

В соответствии с изобретением процесс обслуживания (122, 104) включает в себя:

проверку условия для замены таблицы из указанного текущего набора текущей таблицей; и

если указанное условие выполняется, замену таблицы из указанного текущего набора текущей таблицей.

Эта проверка включает определение того, существует ли новый набор таблиц, полученный путем замены таблицы текущего набора текущей таблицей, который является более подходящим, чем текущий набор по отношению к последующему определению таблицы смещений.

Изобретение относится к детектору без регулирования температуры, содержащему матрицу подвешенных болометров, расположенных в фокальной плоскости линзы, считывающую схему, создающую поток необработанных значений, и затвор. Способ корректировки необработанных значений содержит этап получения общей таблицы необработанных значений; этап определения таблицы коррекции смещений для текущей температуры детектора в соответствии с общей таблицей и набора сохраненных таблиц необработанных значений; и этап коррекции потока необработанных значений с помощью таблицы коррекции смещений. В соответствии с изобретением процесс обслуживания содержит проверку условия для замены таблицы из указанного общего набора общей таблицей. Если указанное условие выполняется, производят замену таблицы из указанного общего набора общей таблицей. Проверка содержит определение того, существует ли новый набор таблиц, полученный путем замены таблицы общего набора общей таблицей, который является более подходящим, чем общий набор, для целей последующего определения таблицы смещений. Технический результат - коррекция изменения смещения детектора без термоэлектронного охладителя без предварительной калибровки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ коррекции изображений, создаваемых матрицей болометров детектора без регулировки температуры, причем указанная матрица содержит сетчатку болометрических мембран, расположенных в фокальной плоскости оптической системы и подвешенных над подложкой, в которой сформирована считывающая схема, выполненная с возможностью выводить поток необработанных значений сигнала, соответствующих каждому болометру в матрице, по отношению к наблюдаемому объекту, где детектор дополнительно содержит затвор, расположенный между оптической системой и сетчаткой, причем способ включает в себя, в рабочем режиме, при котором температурные условия среды, окружающей детектор, свободно меняются:
первый этап, на котором закрывают затвор и получают и сохраняют в памяти детектора:
текущую таблицу необработанных значений, соответствующих изображению затвора, полученному с помощью матрицы болометров; и
температуру детектора в ходе получения указанной текущей таблицы необработанных значений,
второй этап, на котором определяют и сохраняют в памяти детектора таблицу коррекции смещений для текущей температуры детектора в зависимости от:
текущей таблицы необработанных значений и связанной с ней температуры; и
текущего набора таблиц необработанных значений, соответствующих изображениям затвора, полученным с помощью матрицы болометров, предварительно сохраненного в памяти детектора, и температур детектора, связанных соответственно с каждой из этих таблиц в тот момент времени, когда они были получены, причем указанные температуры сохранены в памяти детектора; и
третий этап, на котором выполняют коррекцию потока необработанных значений с помощью таблицы коррекции смещений,
который включает в себя, вслед за получением текущей таблицы необработанных значений, процесс обслуживания для обслуживания текущего набора таблиц необработанных значений, содержащий этапы, на которых:
выполняют проверку условия для замены таблицы из указанного набора текущей таблицей необработанных значений; и
если указанное условие выполнено, заменяют таблицу из указанного текущего набора таблиц текущей таблицей необработанных значений и заменяют температуру получения замененной таблицы температурой получения текущей таблицы необработанных значений,
причем при указанной проверке определяют, на основе по меньшей мере одного предварительно заданного критерия, существует ли новый набор таблиц, полученный путем замены таблицы текущего набора текущей таблицей, который является более подходящим, чем текущий набор по отношению к последующему определению таблицы смещений.

2. Способ по п.1, в котором текущий набор сохраненных таблиц частично или полностью строится в зависимости от текущих таблиц, полученных во время работы детектора.

3. Способ по п.1, в котором упомянутый по меньшей мере один критерий содержит критерий, относящийся к соответствию этих таблиц текущему рабочему состоянию детектора, в частности критерий, относящийся к давности их получения, и /или критерий, относящийся к стабильности температуры детектора, в то время когда указанные таблицы необработанных значений были получены.

4. Способ по п.1, в котором упомянутый по меньшей мере один критерий содержит критерий, относящийся к соответствию этих таблиц вычислению таблицы коррекции смещений.

5. Способ по п.4, в котором упомянутый по меньшей мере один критерий содержит критерий, относящийся к распределению температур, при которых были получены таблицы с обновлением набора таблиц необработанных значений, осуществляемым для обеспечения оптимального распределения этих температур внутри диапазона температур, в котором работает детектор.

6. Способ по п.1, который дополнительно содержит этап, на котором выполняют оценку первого условия для обновления таблицы коррекции смещений, которая, если указанное первое условие выполнено, инициирует:
закрытие затвора, получение текущей таблицы необработанных значений и процесс обслуживания текущего набора сохраненных таблиц; и
вычисление новой таблицы коррекции смещения в зависимости от текущей таблицы необработанных значений и набора сохраненных таблиц необработанных значений.

7. Способ по п.6, в котором первое условие для обновления таблицы коррекции смещений содержит критерий, относящийся к возрасту текущей таблицы необработанных значений, причем указанное первое условие выполняется, в частности, если возраст текущей таблицы превышает заранее заданную длительность.

8. Способ по п.6, в котором первое условие для обновления таблицы коррекции смещений содержит критерий, относящийся к разности между текущей температурой детектора и температурой детектора, связанной с текущей таблицей необработанных значений, причем указанное первое условие выполняется, в частности, если указанная разность превышает первый заранее заданный порог.

9. Способ по п.6, который дополнительно содержит этап, на котором выполняют оценку второго условия для обновления таблицы коррекции смещений, и если указанное второе условие обновления выполняется, этим инициируется вычисление новой таблицы коррекции смещений в зависимости от текущей таблицы необработанных значений и набора сохраненных таблиц необработанных значений без активации процесса обслуживания.

10. Способ по п.9, в котором второе условие для обновления значения коррекции смещений содержит критерий, относящийся к разности между текущей температурой детектора и температурой детектора, которая была при последнем вычислении таблицы коррекции смещений, причем указанное второе условие выполняется, в частности, если указанная разность превышает второй заранее заданный порог, который меньше, чем первый порог.

11. Способ по п.6, в котором таблица коррекции смещений включает вычисление интерполированной таблицы необработанных значений путем интерполяции текущей таблицы необработанных значений и заранее заданного количества таблиц из набора сохраненных таблиц необработанных значений, и тем, что вычисление таблицы коррекции смещения осуществляется в соответствии с уравнением:

где O_n представляет собой значение в таблице коррекции смещений, представляет собой среднее значение интерполированной таблицы необработанных значений, G_n представляет собой заранее заданный поправочный коэффициент для коррекции коэффициента усиления болометра, соответствующего указанному значению O_n, и S_interp(Tamb)_n представляет собой необработанное значение, которое соответствует указанному значению O_n интерполированной таблицы.

12. Термочувствительный элемент без регулирования температуры, содержащий:
матрицу болометров, содержащую сетчатку болометрических мембран, подвешенных над подложкой, в которой сформирована считывающая схема, выполненная с возможностью выводить поток необработанных значений сигнала, соответствующих каждому болометру в матрице, по отношению к наблюдаемому объекту и расположенную в фокальной плоскости оптической системы;
по меньшей мере один датчик температуры, выполненный с возможностью измерять температуру в одной точке на подложке,
управляемый затвор, приспособленный формировать однородную картину на сетчатке; и
средства обработки и хранения информации, реализующие способ в соответствии с любым из пп.1-11.