Критерии качества оптико-электронных приборов

В связи с большим многообразием ОЭП критерии их качества могут быть самыми различными. Учитывая, что для многих ОЭП одна из важнейших задач - это уверенный прием сигнала на фоне помех и шумов и качественное воспроизведение его параметров, наиболее распространенными критериями качества являются статистические критерии, ряд которых был рассмотрен или упомянут выше. К ним относятся:

- - средний риск r (см. § 11.1),

- - условные вероятности правильного обнаружения,

- - ложных тревог,

- - отношение правдоподобия L (см. § 11.2) и т. д.

Приборы, предназначенные для измерений характеризуются прежде всего точностью, оценками которой служат нормируемые метрологические характеристики:

- - функция преобразования,

- - систематическая и случайная составляющие инструментальной погрешности прибора,

- - вариация выходного сигнала,

- - динамические характеристики и др.

Некоторые из них будут рассмотрены ниже, в гл. 15.

Специфическими для ОЭП являются критерии, определяющие энергетическое разрешение прибора. К ним прежде всего относятся: пороговая чувствительность или порог чувствительности ОЭП, определяемые как минимальные значения потока Ф_{п оэп} или облученности E_{п оэп} на входном зрачке, при которых обеспечивается отношение сигнал/шум m, необходимое для правильного (надежного) срабатывания прибора, например, для обеспечения заданной вероятности правильного обнаружения.

В случае, когда преобладают внутренние шумы приемника излучения, пороговую чувствительность ОЭП можно определить как

где А — площадь чувствительного слоя приемника; Df — полоса пропускания электронного тракта; D^* — удельная обнаружительная способность приемника, пересчитанная от условий паспортизации приемника к реальным условиям его работы (см. § 6.4); А_вх — площадь входного зрачка; h_ОЭП — КПД ОЭП.

За рубежом энергетическая чувствительность ОЭП обычно оценивается эквивалентной мощностью шума (NEP) или эквивалентной шумам плотностью потока (NEFD), которая представляет собой облученность входного зрачка ОЭП при отношении сигнал/шум на выходе прибора, равном единице.

0чень часто для оценки качества ОЭП используется зависимость E_{п оэп} или NEFD от длины волны, которая определяет облученность на каждой длине волны, необходимую для образования сигнала, равного уровню шума прибора.

Для оценки ОЭП, работающих с импульсными сигналами, служит отношение максимальной амплитуды сигнала, деленной на среднее квадратическое значение шумов, к значению E_{п оэп} или NEFD.

Оптико-электронные приборы, создающие изображение в ИК области спектра (тепловизоры), часто характеризуютсяэквивалентнойшумовой температурой (ЭШТ), которая определяется как температура эквивалентного черного тела, помещенного в плоскость объекта и создающего на выходе прибора отношение сигнал/шум, равное единице. Иногда пороговую характеристику такого ОЭП определяют как разность температур двух черных тел, при которой обнаруживается их различие.

В зарубежной научно-технической литературе эквивалентную шумам разность температур (NETD) часто нормируют, приводя ее к единичной полосе пропускания делением на корень квадратный из значения полосы пропускания Df.

Качество некоторых типов ОЭП, например, систем тепловидения, оценивают их контрастной чувствительностью (пороговым контрастом на входе прибора), которая сравнивается с контрастом, определяемым соотношением яркостей наблюдаемого объекта и фона в плоскости расположения объекта и называемым иногда контрастным отношением «сигнал-фон» в плоскости объекта

где L_об и L_ф — яркости объекта и фона в плоскости объекта.

При малых разностях температур объекта и фона DT, принимаемых за черные тела, можно записать

При выполнении условия lT £ 3000 из закона Планка следует

Например, для Т=300°К

Отсюда легко определить, как меняется контраст при изменении спектрального диапазона работы ОЭП, т.е. длин волн l.

Контрастная чувствительность ОЭП (контрастное отношение «сигнал-фон» на входе ОЭП), обычно определяется как

где L_об.вх и L_ф.вх — яркости объекта и фона, на котором он наблюдается, приведенные ко входу (входному зрачку) ОЭП.

Величины L_об.вх и L_ф.вх и, соответственно, m_k,вх отличаются от L_об, L_ф и m_k как за счет различия в пропускании среды на различных трассах «объект-ОЭП» и «фон-ОЭП», так и вследствие прихода на вход ОЭП потоков не только от объекта и фона, но и от среды распространения излучения. Эти потоки обусловлены, например, собственным излучением среды и рассеянным в ней излучением источников, находящихся вне углового поля ОЭП.

Эквивалентная шуму разность температур (пороговая разность температур) DT_п в ряде случаев недостаточно полно описывает качество ОЭП. В [14] указываются основные недостатки этого критерия применительно к системам тепловидения, в которых происходит преобразование невидимого глазу инфракрасного излучения в видимое изображение на экране системы отображения, например, на экране дисплея. Так, DT_п, измеряемая на выходе электронного тракта, не учитывает процессов ухудшения качества сигнала (изображения) за счет ограниченной разрешающей способности системы отображения информации и зрительного аппарата человека-оператора.

Для более полной характеристики системы «прибор-оператор» обычно используется такой критерий как минимальная разрешаемая разность температур D Т _разр (в зарубежной литературе MRT или MRTD), под которой понимается разность температур специального штрихового тест-объекта (трех- или четырехполосной миры с прямоугольным законом изменения яркости полос и отношением их высоты к ширине 7:1), которая обеспечивает необходимое для разрешения пороговое отношение сигнал/шум (обычно 2,0…2,5).

Одним из наиболее распространенных выражений для DT_разр как функции пространственной частоты f_х [мрад^-1] является:

 (14.1)

где m₄ — отношение сигнал/шум, необходимое для обнаружения четырехполосной миры; G_оэс(f _х) — передаточная функция (частотная характеристика) всей системы «ОЭП+ наблюдатель»; Db — угловой размер элемента приемника по вертикали, т.е. в направлении, перпендикулярном траектории сканирования, мрад; v_x — скорость сканирования, мрад·с^-1 ; f_x — интересующая нас пространственная частота объекта наблюдения, мрад^-1; F_к — частота кадров, Гц; t_гл — время, которое система «глаз-мозг» человека-наблюдателя затрачивает на суммирование и осмысление визуального сигнала, с (часто принимают t_гл = 0,1…0,2 с); h_с — КПД сканирования, учитывающий перекрытие строк; r_ш.п — так называемый коэффициент ширины полосы, определяемый как [14]

Здесь Ф_ш(х) — спектральная плотность мощности шума на выходе приемника излучения; K_э(f_х ) — передаточная функция (частотная характеристика) электронного тракта ; K_со(f_x ) — передаточная функция (частотная характеристика) системы отображения, например, видеоконтрольного устройства; K_гл(f_х ) — передаточная функция (частотная характеристика) глаза наблюдателя; sinc(f_x/2f ¢_то )=sin(pf_x/2f ¢_то )//(pf_x/2f ¢_то ) — частотная характеристика, учитывающая узкополосную пространственную фильтрацию периодической структуры (миры), состоящей из прямоугольных полос с основной частотой f_то [мрад^-1], осуществляемую в зрительном аппарате; f ¢_то=f _тоv_x — частота (Гц), соответствующая основной пространственной частоте миры f_то, мрад^-1; Df_э — эквивалентная шумовая полоса всей системы (см. § 4.7).

Выше, в §§ 10.4, 10.5, 10.7, 10.8 были приведены выражения для расчета входящей в (14.1) передаточной функции G_оэс(f _x) и отдельных ее составляющих, в том числе K_э(f_х ), K_co (f_x) и K_гл(f_x ).

Методы расчета основных энергетических пороговых характеристик ОЭП описаны ниже.

Помимо энергетического разрешения качество ОЭП может характеризоваться пространственной разрешающей способностью:

- - пространственно-частотной характеристикой всего ОЭП или пороговым угловым или линейным разрешением,

- - временным разрешением, определяемым динамическими характеристиками ОЭП.

Нужно отметить, что все эти критерии качества ОЭП связаны между собой. Достаточно наглядно эта связь проявляется при проведении энергетического расчета ОЭП, которому посвящены последующие параграфы этой главы.