View
107
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
1
Rappels sur l’Infrarouge
2
Comparaison entre images visible et infrarouge
3
Intérêt de l’Infrarouge• Principe fondamental:
– Tous les corps émettent du rayonnement thermique (Loi de Planck)
– Deux corps différents placés à la même température se distinguent par leur émissivité
• Caractéristiques naturelles:– L’atmosphère est transparente aux
rayonnements IR dans trois gammes spectrales– Les spectres d’émission de nombreuses
molécules sont situés dans l’IR
4
Conséquences
Dans les systèmes• Fonctionnement
jour:nuit en mode passif
• Excellente capacité de détection
• Bonne résolution spatiale
• Discrétion
Dans les mesures• Capacité de mesure et
de contrôle sans contact (Thermographie)
• Existence de phénomènes à une longueur d’onde donnée ( Analyse de gaz)
5
Le corps noir
Un corps noir est un objet capable d’absorber totalement tout rayonnement incident, quelque soit sa longueur d ’onde. Il existe deux réalisations pratiques du corps noir :
– La cavité presque entièrement fermée,
– Le revêtement absorbant parfait.
6
La loi de PLANCKL’émission spectrale du corps noir est décrite par la
loi de PLANCK établie à partir de considérations thermodynamiques statistiques:
dR(,T) = 2 h c2 -5 (En W/m².µm) d exp hc - 1
kT
Ou encore sous forme d’un flux de photons en divisant par l’énergie du photon hc/
d(,T) = 2 c -4 (En photons/s.m².µm) d exp hc - 1
kT
7
Emittance du CN dans une bande
Emittance spectrale
Longueur d’onde
dR(,T) d d
1 2
1
2
8
Tableau de valeurs
Microns
d)T,(R2
1
( en W /cm2)
1
2 290 K 300 K 310 K 873 K
3 5 4,11.10-4 5,97.10-4 8,48.10-4 1,17
3 5,5 7,87.10-4 1,11.10-3 1,54.10-3 1,38
3,5 5 3,97.10-4 5,75.10-4 8,13.10-4 0,85
3,5 5,5 7,73.10-4 1,09.10-3 1,5.10-3 1,06
4 5 3,49.10-4 5,01.10-4 7,02.10-4 0,53
4 5,5 7,25.10-4 1,02.10-3 1,39.10-3 0,74
8 10 5,12.10-3 6,15.10-3 7,32.10-3 0,25
8 12 1,03.10-2 1,22.10-2 1,43.10-2 0,38
8 14 1,48.10-2 1,74.10-2 2,01.10-2 0,46
10 12 5,17.10-2 6,02.10-2 6,95.10-2 0,14
10 14 9,72.10-3 1,12.10-2 1,28.10-2 0,22
12 14 4,55.10-3 5,19.10-3 5,86.10-3 8.10-2
9
La chaîne radiométrique
Chaîne radiométrique : ensemble des phénomènes qui se produisent depuis l’émission par la source de rayonnement jusqu’à l’absorption par le récepteur.
Flux : c’est la valeur instantanée d’un débit de rayonnement, il s’exprime en W. Il peut s’agir du débit émis par une source, transporté par un faisceau, ou reçu par un récepteur. Le flux se conserve lors de la propagation dans les milieux homogènes non absorbants.
10
Détecteurs IR
11
Détecteurs infrarouge
Un détecteur de rayonnement IR transforme ce rayonnement incident en un signal électrique. On distingue deux types de détecteurs:– Les détecteurs thermiques qui ne sont sensibles
qu’à l’énergie du rayonnement– Les détecteurs quantiques qui transforment les
photons incidents en charges électriques
12
Types de détecteurs
Détecteurs de flux
• Ils suivent les variations temporelles du rayonnement incident
• Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible
• Ce sont des détecteurs individuels ou les éléments de petites mosaïques
Détecteurs d’imagerie
• Ils intègrent pendant une durée d’image ou une fraction de celle-ci (temps de pose) le rayonnement incident et délivre un échantillon à la cadence image
• Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible
• Ce sont les éléments d’une rétine
13
Réponse d’un détecteur
• On appelle réponse d’un détecteur le rapport entre la grandeur de sortie, courant I ou tension V, et le flux énergétique incident F:
RI= I/F (en A/ W) ou RV= V/F (en V/ W)
• Pour un détecteur quantique, on parle de rendement quantique : nombre moyen de charges ou de paires de charges créée par photon reçu :
= <Ncharges>/<Nphotons> (<1)
14
Définitions de NEP et D*• On appelle puissance équivalente au bruit notée
NEP, la puissance du flux signal incident sur le détecteur de surface Ad qui donne un rapport
signal sur bruit unité observé à la fréquence de mesure f dans une bande passante f.
• On appelle détectivité spécifique D*, la grandeur normalisée par l’expression :
(en W-1.cm.Hz
1/2)NEP
fA*D
d
15
Détectivités pic et corps noir
• En rayonnement monochromatique, on peut donner une valeur de détectivité pour chaque longueur d’onde. La détectivité est souvent donnée pour la longueur d’onde du maximum de réponse du détecteur pic
• En rayonnement total corps noir à la température T dans une bande spectrale donnée la détectivité ne dépend que de cette température et de la bande spectrale
16
Relation entre détectivités pic et corps noir
Le détecteur voit un corps noir à la température TCN avec une étendue géométrique G:
17
Détectivité limite ou « BLIP »
Un détecteur IR voit toujours un fond ambiant à la température T, dans un angle solide v. (Pour un
détecteur refroidi cet angle est limité par un diaphragme froid, pour les détecteurs non refroidis cet angle solide est égal à 4 .)
On appelle détectivité limite ou « BLIP » la valeur obtenue en considérant que la seule source de bruit est la fluctuation du fond ambiant.
BLIP: Background limited Infrared Detector
18
Largeur de la bande spectrale
• En l’absence de filtre, c’est la bande définie par la réponse spectrale du détecteur r()
• En présence d’un filtre, c’est sa transmission T () qui détermine la bande. (On remplace dans les expressions précédentes r() par r().T () ou () par ().T () )
• Attention: les transmissions sont souvent données en fonction du nombre d’onde 1/ .
19
Bruit des détecteurs• Bruit des détecteurs quantiques :
– Le bruit blanc provenant des mécanismes de génération et de recombinaison des charges créées par les photons incidents ou par la température du détecteur.
– Le bruit thermique de la résistance du détecteur, c’est aussi un bruit blanc.
– Le bruit en 1/f dû aux imperfections technologiques et à la polarisation du détecteur.
• Bruit des détecteurs thermiques:– Les fluctuations d’échanges thermiques entre le
détecteur et l’environnement ambiant
20
Expressions des différents bruits des détecteurs
• Bruits dans une photodiode :
– Bruit de courant de fond :
– Bruit de courant d’obscurité :
– Bruit de la résistance shunt :
– Bruit en 1/f :
• Bruit d’un photoconducteur :
– Bruit de la résistance :
– Bruit de génération/recombinaison :
– Bruit en 1/f :
• Bruit d’un détecteur thermique :
fqI2 bg
2
nbgi
0
ddk
2
ndk R
fkT4fqI2i
sh
d2
nsh R
fkT4i
ff
IK
22
nfi
d
d2
nR R
fkT4i d
)f41(N
f2Ii
22
22ngr
2th
222th
th2d2
Cf4G
fGkT4T
ff
IK
22
nfi
21
Température et émissivité du fond
• Du point de vue photométrique, l ’idéal est le corps noir, attention cependant à ce que la température soit bien contrôlée!
• Regarder les objets d’un laboratoire ou un vrai corps noir étendu peut se traduire par une variation de quelques dizaines de % sur le flux.
• Attention aussi à l’absorption et donc l’émission par le gaz carbonique dans les bandes étroites autour de 4,3 µm
22
Pourquoi refroidir un détecteur Infrarouge?
• Pour réduire l’influence du fond ambiant : diaphragme froid
• Pour réduire la génération thermique dans les semi-conducteurs à faible gap
On place le détecteur IR dans un cryostat pour réduire son bruit et augmenter sa détectivité
23
Besoins en cryogénie des détecteurs IR
• Fonctionnement à température ambiante– Détecteurs visibles ou proche IR– Détecteurs thermiques
• Fonctionnement à température intermédiaire 200 à 250K– Certains détecteurs 3- 5 µm (PC)
• Fonctionnement à 77K (Azote liquide):– La très grande majorité des détecteurs performants en 3-5µm
et 8-12µm• Fonctionnement à très basse température ( 4 à 30K)
– Certains détecteurs à longueur d’onde de coupure élevée (<12µm)
– Applications spatiales à faible flux de fond
24
Angle de vue du fond ambiant (1)• L’angle de vue du fond ambiant est délimité par le
diaphragme froid.• Sans ce diaphragme, le détecteur voit le
rayonnement émis dans tout le 1/2 espace situé devant lui. Des rayonnements parasites réfléchis ou diffusés peuvent s’ajouter.
• Pour une barrette de détecteurs ou une matrice, les détecteurs de la périphérie et du centre n’ont pas le même angle de vue géométrique ni le même éclairement à cause du cosinus de l’angle que fait l’axe du faisceau avec la normale à la surface du détecteur.
25
Angle de vue de fond ambiant (2)
26
Types de détecteurs infrarougeDétecteurs quantiques
Les photons IR d’énergie suffisant créent des porteurs dans le matériau selon quatre processus :
• Absorption intrinsèque• Absorption extrinsèque• Photo émission par un métal• Puits quantiquesTrois modes d’utilisation des porteurs :• Photoconducteurs, variation de
résistance• Photovoltaïque, apparition d’une
tension ou génération d’un courant• Photomagnétoélectrique, apparition
d’une tension
Détecteurs thermiquesLes radiations IR incidentes
élèvent la température du détecteur et modifie ainsi une caractéristique physique de celui ci:
• Bolomètre, variation de conductivité
• Pyro-électrique, modification de la polarisation électrique
• Thermo-voltaïque, apparition d’une tension
• Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la dilatation d’un gaz
27
Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (1)
A chaque longueur d’onde est associée une valeur du rendement quantique (). Le courant élémentaire di() délivré par la photodiode en réponse au rayonnement monochromatique reçu Fr() de largeur spectrale d est :
q est la charge de l’électron, hc/ l’énergie des photons
d
hc)(F
q)()(di r
28
Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (2)
Pour calculer la réponse RI(), de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique élémentaire reçu par le détecteur émis par un corps noir à la température T dans la bande d, vu sous angle solide S :
soit :
On appellera réponse normalisée r() = R()/ R(pic.),
d)T,(L
A),T(F sdr
)(hc
q)(R I
29
Réponse spectrale d’une photodiode (3)
piccut on cut off
1
0,5
0
r()
30
Mesure du rendement quantique
• Connaissant la réponse du détecteur R(pic), on peut calculer le rendement quantique par la formule:
• Avec hc/q = 1,25 la formule devient :
pic
picpic q
)(Rhc)(
picpicpic )(R25,1)(
31
Réponse polychromatique d’une photodiode (1)
Pour un rayonnement polychromatique occupant la bande 1,2, l’expression du courant élémentaire
doit être intégrée sur cette gamme spectrale
2
1
2
1
d)T,(F
)(R),T(di),,T(I rI21
d)T,(L
)(RA),,T(I2
1
Isd21
32
Réponse polychromatique d’une photodiode (2)
Pour calculer la réponse RI(T,1,2), de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique reçu par le
détecteur :
soit :
d)T,(L
A),,T(F2
1
vd21
2
1
2
1
d)T,(L
d)T,(L
)(R
),,T(RI
21I
33
Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (1)
Le flux de fond incident Fbg s’exprime en fonction de la
luminance du fond L(Tbg,1,2), de l ’angle solide de vue
v et de la surface Ad
D’où le courant de fond : I (Tbg) = RI(Tbg) .L(Tbg,1,2),
d’après les relations précédentes:
d)T,(L
),,T(LAF2
1
bg21bgvdbg
d),T(L
)(hc
qA)T(I
2
1
bgvdbg
34
Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (2)
Le courant dépend des paramètres suivants:• Surface sensible du détecteur• Rendement quantique dans la bande
spectrale• Largeur de la bande spectrale• Angle de vue du fond ambiant• Température et émissivité du fond
35
Rendement quantique
Il dépend de la longueur d’onde par le coefficient d’absorption du matériau et la recombinaison en surface
• > c, pas d’absorption, () = 0
• < c, absorption totale, () <1 car une partie des photons sont réfléchis par la surface et une partie des porteurs créés en surface par les rayonnements aux courtes longueurs d’ondes se recombinent avant d ’atteindre la jonction.
36
Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité
37
Barrettes et matrices de détecteurs infrarouge
Un seul détecteur n’est généralement pas suffisant pour répondre aux besoins, l’augmentation du nombre d’éléments sensibles pose les problèmes suivants: – Nombre de sorties du cryostat, les pertes thermiques
augmentent avec ce nombre
– Coût des préamplificateurs et des chaînes de traitement des signaux
Conclusion : il faut multiplexer!
38
Mux
EB
SignalVidéo
FiltreAv
EBFiltreAv
Det i EBFiltreAv
EBFiltreAv
Det 1
Det 2
Det n
Multiplexage Pour multiplexer les signaux il faut au préalable les avoir
amplifiés, filtrés puis échantillonnés et bloqués (EB) pendant une période à l’intérieure de laquelle les échantillons sont placés
successivement.
39
Multiplexage dans le plan focal
Pour effectuer les fonctions nécessaires au multiplexage dans le plan focal il faut que le signal à multiplexer soit intégré pendant le temps de pose T . Le détecteur de flux associé à cet élément intégrateur devient un détecteur d’imagerie.
Un intégrateur remplit les fonction d’amplification, de filtrage passe bas et de blocage, le signal échantillonné est :
S(t) est le signal délivré par le détecteur, un courant ou une tension.
N
N
t
Tt
N dt)t(S)t(Q
40
Détecteur d’imagerie: FPA et ROIC• On appellera une barrette ou une matrice de
détecteurs d’imagerie FPA ( Focal Plane Array)• Le circuit électronique qui permet, dans le plan
focal, d’effectuer l’intégration et le multiplexage des signaux issus des détecteurs de flux s’appelle ROIC (Read Out Integrated Circuit)
• Dans le visible, les détecteurs et le ROIC sont en silicium, on peut combiner les deux sur la même puce.
• En IR, les matériaux détecteurs sont différents du silicium et il n’est généralement pas possible de combiner les deux sur la même puce. Il devient nécessaire d’hybrider deux puces.
41
Spécifications du ROIC et performances système
Performance du ROIC Influence système Commentaires
Bruit en Nbre de Charges Sensibilité Minimun pour S/B
Puissance dissipée Temps de mise en froid,
poids, durée de vie
Par l’intermédiaire des spécif. du cryogénérateur
Dynamique Signal max. à saturation Perte de signal
Diaphonie FTM du système Entre éléments
Réponse en fréquence FTM du système Rémanence
Impédance d’entrèe Linéarité , bruit Changement de point de fonctionnement
Reproductibilité de la linéarité
Calibration Bruit spatial fixe
Gain Sensibilité Au dessus du plancher de bruit du système
Impédance de sortie Sensibilité , MTF EMC, diaphonie
42
Principe des circuits ROIC
• Circuit d’entrée détecteur quantique• Organisation d ’un TDI CCD• Circuit d’entrée détecteur bolométrique• Organisation des matrices (snap shot et rolling)• Temps d’intégration et limites actuelles• Comment augmenter le temps d’intégration?
• Conséquences
43
Technologies des FPA• Problématique :
– Détection et traitement sont séparés (matrice de détection et ROIC silicium)
– Hybridation (connecter chaque pixel IR à une cellule d’entrée du ROIC)
– Fonctionnement à basse température
• Conséquences :Éclairement face arrière
Dilation différentielle
44
CAMERAS THERMIQUES
45
Applications de l’imagerie thermique
COMMUNAUTÉ APPLICATIONS
Militaire Reconnaissance, navigation, pilotage de nuit, acquisition de cibles, tir
Commercial
Civil Police, pompier, garde frontière
Environnement Mesure de pollution, ressources naturelles, réduction d’énergie
Industrie Maintenance, contrôle de processus de fabrication, tests
non destructifs
Médical Thermographie,
46
Spécifications de besoinsDOMAINE DE CONCEPTION
MILITAIRE COMMERCIAL
Stabilisation de visée
Nécessaire En général inutile
Traitement d’image Spécifique de l’application (Détection, reconnaissance
automatique de cibles)
Options commandées par un menu
Résolution Résolution de cible à longue distance ou détail dans un
grand champ de vue
La distance permet de s’adapter
Temps de traitement
Temps réel Temps réel, pas toujours nécessaire
Signature de la cible et sensibilité
A la limite de la perception, faible NETD
En général le contraste est suffisant, NETD pas dominant
47
Contenu de la scène: - Caractéristiques de la cible - Caractéristiques du fond
- Mouvements - Textures
Expérience de l'observateur: - Entraînement
- Fatigue - Charge de travail
Performances du système: - Résolution - Sensibilité
- Bruit - Fonction de transfert
Qualité d'image
Divers: - Illumination ambiante - Bruit - Vibrations
Visualisation: - Luminance - Contraste - Distance de l'observateur
Transmission atmosphérique: - Brume - Brouillard - Pluie - Poussières
Modélisation des systèmes
48
Systèmes d’imagerie IR
Matrice fixe : 3ème A balayage : 1 ère et 2 ème
génération génération
49
Fonctionnement d’une camera thermique
• Focalisation dans le plan du ou des détecteurs de l’image de la scène par une optique IR
• Analyse du champ total par balayage un ou deux axes du champ élémentaire vu par le (ou les) détecteurs
• Ou échantillonnage par les éléments d’une matrice de détecteurs
Une caméra se caractérise par:
– Son domaine spectral (3-5 µm ou 8-12 µm)
– La configuration des détecteurs
– Le principe de balayage
Et en termes de performances par :
– L’écart de température équivalent au bruit ou NETD
– La résolution spatiale et son évolution avec la fréquence spatiale (MRTD)
50
Visualisation de la scène par une caméra thermique
Une caméra thermique visualise les objets grâce à :
– Leur contraste thermique par rapport au fond (bande 8-12 µm)
– La combinaison entre leur contraste thermique et la réflexion solaire (de jour) en bande 3-5 µm
Conséquences:
• Les images « 8-12 µm » de jour et de nuit sont très semblables
• Les images « 3-5 µm » de jour sont sensibles à la présence du soleil
51
Luminances du CN intégrées dans les différentes bandes
52
Variations de luminances avec T intégrées dans les différentes bandes
53
Équation du flux incident sur le détecteur (Source étendue)
Le flux reçu par le détecteur s’exprime à partir de la luminance spectrale du corps noir L(T) de la surface élémentaire découpée sur la cible par le cône de résolution du détecteur d’angle solide r et de l’angle solide sous lequel l’optique collectrice est vue depuis la source:
= a o L rR2 Do2/4R2 = a o L AdDo
2/4F2
a et o sont respectivement la transmission de l’atmosphère sur la distance R
et de l’optique
54
Systèmes à balayage
Le temps de passage d’une cible ponctuelle dans l’angle solide de vue d’un élément détecteur, appelé « dwell time » est une caractéristique des systèmes à balayage
= / Vb Vb est la vitesse de balayage en mrd/s et = a/F la résolution
angulaire du détecteur en mrd.La forme du signal analogique en tenant compte de la dimension de
la tache optique au cours du balayage est une impulsion de largeur à mi hauteur égale à .
55
Différentes configurations de balayage
56
Efficacité de balayage
L’efficacité de balayage est définie comme le rapport entre la durée de la partie utile du balayage et la période totale on parle :– D’efficacité de balayage ligne– D’efficacité de balayage trame– D’efficacité de balayage totale (produit des 2)
période totaleTemps
57
Compatibilité entre balayage IR et visualisation
• Visualisation par DEL : même balayage mécanique
• Visualisation par monitor TV:– Balayages IR ou du
monitor adaptés
– Reprise visu DEL par caméra TV (E-O Mux)
– Mémoire d’image
58
Générations de Systèmes d’imagerie IR 1/2
1ère Génération
• Petit nombre de détecteurs <150• Balayage série ou série /parallèle
avec ou sans TDI• Pré-amplificateurs analogiques• Traitement du signal analogique• Bande 8-12 microns• Optiques ouvertes F# <2• Machines cryogéniques
puissantes >1 W• Visualisation par LED (E/O
MUX) ou écran avec conversion de standard
2 ème Génération
• Barrettes avec ou sans TDI avec un à quelques milliers d’éléments
• Multiplexage dans le plan focal. ROIC à base de CCD
• Balayage parallèle avec entralacement
• Bande 8-12 microns• Optiques plus fermées F# <3• Machines cryogéniques moins
puissantes• Traitements numériques• Visualisation sur écran
59
Imagerie IR à visu par LED(E-O MUX)
60
Imagerie IR à multiplexage électronique
61
Principe du « TDI »
TDI : Time delay integration ou accumulation avec retard• Analyse successive du même élément de la scène par les N
détecteurs d’une ligne• Recalage des signaux à l’aide de lignes à retard• Addition des signaux en provenance des N détecteurs
Det Det DetDet
PA PA PA PA
Retard
Retard 2
Retard 3
AdditionN entrées
Balayage
N détecteurs
62
Avantages du TDI• Rapport signal à bruit amélioré d’un facteur (pour N <8) • Les détecteurs équivalents lorsqu’il y a plusieurs lignes de TDI
sont plus homogènes entre eux en termes de réponse et de détectivité
• La présence d’un détecteur « mort » dans une ligne n’entraine pas de ligne noire dans l’image
• Bien que les sensibilités théoriques avec N détecteurs TDI et un balayage série ou N éléments sans TDI et un balayage parallèle soient les mêmes, en présence de bruit en 1/f la solution TDI est la meilleure
Le TDI fût utilisé de façon avantageuse dans la première génération avec les détecteurs photoconducteurs (PC) puis avec le SPRITE ( Signal Processing in The Element).
La deuxième génération a profité de la technologie CCD pour intégrer facilement le TDI dans le ROIC.
N
63
Échantillonnage et détecteurs IRDans le plan focal du système optique, l’image de la scène est
échantillonnée spatialement dans une ou deux directions, selon le mode de balayage utilisé et la nature discrète des éléments détecteurs.
Dans un système à balayage, le signal de chaque détecteur est échantillonné électroniquement en relation avec la vitesse de balayage. L’échantillonnage spatial et l’échantillonnage temporel sont dépendant l’un de l’autre dans la direction du balayage.
Dans un système matriciel, le temps de pose et la cadence de lecture seront les deux paramètres définissant l’échantillonnage temporel.
64
Calibration: pourquoi? comment? Limites
• Pourquoi calibrer les détecteurs?• Comment effectuer la calibration?
– Calibration un point
– Calibration deux points
– Calibration multipoints
• Précautions à prendre• Bruit spatial fixe résiduel• Causes de dérive et limitations
65
Calibration: Pourquoi calibrer les détecteurs?
La réponse et le niveau continu de chaque élément
détecteur sont différents,le signal s’écrit :
Sij = Rij *ij + Oij
– Rij est la réponse de l’élément ij
ij est le flux incident sur l’élément ij
– Oij est le niveau continu de l’élément ij
Seul ij est variable avec le temps si l’image bouge, Rij
et Oij sont les deux paramètres du bruit spatial fixe
66
Calibration: Comment effectuer la calibration?
• Calibration un point : Les détecteurs regardent un fond uniforme à une seule température T1, les niveaux continus
sont corrigés mais il faut avoir une table de gains mesuré en usine
• Calibration deux points : Les détecteurs regardent successivement des fonds uniformes à deux températures T1 et T2. Les réponses Sij1 et Sij2 servent de référence pour
la calibration
• Calibration multipoints : On utilise plus de deux températures pour les fonds de référence.
67
Calibration deux points
Sur les fonds de référence les signaux sont :
Sij1 = Rij *ij(T1) + Oij
Sij2 = Rij *ij(T2) + Oij
Le signal corrigé s’écrit :
Sijc = Aij*Sij + Bij
Aij et Bij sont respectivement les éléments de la matrice de gain et de la matrice d’offset. Ils sont déterminés à partir des signaux Sij1 et Sij2 et de leur valeurs moyennes spatiales < Sij1> et < Sij2> d’où finalement :
12
122112
SijSij
Sij*SijSij*SijSij*)SijSij(Sijc
68
Calibration:Précautions à prendre
Le bruit du signal corrigé est augmenté du bruit des signaux servant au calcul et de l’imprécision des calculs, deux précautions sont à prendre:– Le bruit des signaux de référence doit être plus faible
que celui de la mesure, on moyennera plusieurs trames prises sur les fonds de référence
– La précision de calcul sera choisie telle que la troncature soit inférieure au LSB du signal mesuré.
En pratique on prend au moins 64 trames et on effectue les calculs sur 16 bits
69
Calibration: Bruit spatial fixe résiduel
70
Calibration : Causes de dérive et limitations
• Modification de l’offset par :– La température du plan froid, le courant
d’obscurité du détecteur varie avec la température
– La variation des flux parasites par la température de la caméra et de son optique
– Les dérives de la polarisation fournie par les circuits électroniques de commande
• Modification du gain par :– L’éclairement (non linéarité du détecteur et des
circuits de lecture)
71
Temps de pose limite
Bande spectrale
µm
Flux de photons
Phot/s/cm²/sr Tfond = 300K
Courant photonique n=1 et Ad = 10-5 cm²
F# =2
T pose max en ms pour 15 Me
en ms
3,5 à 4,5 1,62E+15 4,72E-10 5,0843,5 à 5 4,07E+15 1,19E-09 2,022
3,5 à 5,5 8,34E+15 2,43E-09 0,986
8,5 à 10 6,9E+16 2,01E-08 0,1208,5 à 10,5 9,4E+16 2,75E-08 0,087
9 à 10 4,7E+16 1,38E-08 0,1739 à 10,5 7,3E+16 2,13E-08 0,113 9 à 11 9,9E+16 2,89E-08 0,083
• La technologie des ROIC limite les temps de pose par l’intermédiaire de la dynamique des circuits analogiques (au
maximum 80dB) et de la quantité de charges que l’on peut stocker environ 30 millions de charges pour une cellule au pas de 30 µm.(On prend la moitié pour le fond ambiant)
• Seule la conversion A/N au niveau de chaque pixel permettra de dépasser ces limites
• Le temps de pose est déterminé en fonction des flux, donc des gammes de longueur d’onde, de la largeur spectrale, de l’angle de vue et du rendement quantique.
17
)2F(T)F41()F(T #
2#
#
Variation de T avec F# et
72
Mosaïques IR disponibles commercialement
Bande spectrale
Type de Mosaïque
Dimensions Mosaïque
Taille du pixel
Bruit en e rms par
pixel
Non uniformité
%
Température de fonctionnement
K
Visible
Silicium
CCD
Monolithique
488 x 640
4000 x 4000
7 à 30 µm
1 à 5
< 1
300
SWIR InGaAs Hyb 640 x 480
15 à 25 µm 20 à 100 2 250 à 300
MVIR
InSb Hybride
CdHgTe Hybr.
Pt: Si Hybr.
640 x 480
320 x 240
1024 x1024
20 à 30 µm
30 µm
15 à 25 µm
100 à 1000
100 à 1000
20 à 100
4
5
2
80 à 95
80 à 120
60
LWIR
CdHgTe Hybr.
QWIP Hybr.
Bolomètres ou Pyroélectriques
320 x 240
640 x 480
240 x 320
30 à 50 µm
30 µm
35 µm
300 à 3000
100 à 1000
30 000
10
5
20 à 30
80 à 100
60 à 65
300
73
Éclairement équivalent au bruit : NEI (1)
• Définition : C’est la différence d’éclairement produit par deux sources étendues qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un.
• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de l’équipement
• Moyen de mesure : Électrique
74
Éclairement équivalent au bruit : NEI (2)
• Expression :• Détecteur :
– Surface sensible : Ad
– Détectivité dans la bande spectrale ; D*
• Optique :– Transmission : opt
– Surface de la pupille : Aopt
• Exploitation du signal :– Bande passante équivalente de bruit f
*
d
optopt picD
Af
S
1NEI
75
Éclairement équivalent au bruit : NEI (3)
• Éclairement de la pupille : E• Puissance reçue par le
détecteur :
• S/B = P/NEP
• Rapport S/B=1, la puissance reçue par le détecteur est NEP et l’éclairement de la pupille est NEI d’où:
optoptESP
*
d
optoptoptopt picD
fA
S
1
S
NEPNEI
76
Différence de température équivalente au bruit : NETD (1)
• Définition : C’est la différence de température de deux corps noirs étendus qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un.
• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de l’équipement
• Moyen de mesure : Électrique et corps noir différentiel
77
Différence de température équivalente au bruit : NETD (2)
• Expression :
• Détecteur : – Surface sensible : Ad
– Détectivité dans la bande spectrale D*() . Si TDI, multiplier par N1/2
• Optique :– Transmission : opt
– Nombre d’ouverture : F#
• Exploitation du signal :– Bande passante équivalente de bruit f
d
T
)T,(L)(*DA
fF4NETD
dopt
2#
78
Différence de température équivalente au bruit : NETD (4)
• L’élément de la cible S à la température Tb +T présente un
écart de luminance par rapport au fond
• L’optique reçoit une différence de flux
TT
LL
TF
AS
T
LT
R
SS
T
LS
R
SLF
2d
opt2opt2
opt
79
Différence de température équivalente au bruit : NETD (5)
• Le flux reçu par le détecteur à chaque longueur d’onde pour une bande spectrale élémentaire d est :
• Le signal du détecteur s’exprime sous la forme :
• La puissance équivalente au bruit s’exprime par
• Lorsque S=NEP, Tb = NETD d’où:
• On remplace ensuite et
pour obtenir NETD.
dTF
AS
T
)T,(L)F(d b2
dopt
boptd
2
1
2
1
dT
)T,(L)(rT
F
AS)F(d)(rS b
b2d
optoptd
*
d
picD
fANEP
*
db2d
optopt
pic
2
1D
fAd
T
)T,(L)(rNETD
F
AS
2#
2
2opt
2
opt
F4F4
D
F
S
)(D)(rD **
pic
80
Différence de température équivalente au bruit : NETD (6)
Expression limite pour une caméra à matrice fixe
de détecteurs quantiques :
• Nmax : Quantité de charge maximale stockable
dans la capacité du ROIC
• CT : Contraste thermique dans la bande
spectrale considérée
maxTmin N
2
C
1NETD
81
Contrastes
,TL
T,TL
CB
B
B
2
1
2
1
2
1
d)T,(L
d)T,(Ld)T,(L
L
LL
B
B
B
BT
82
Différence de température perçue équivalente au bruit : NETP
• Définition : C’est la différence de température de deux corps noirs étendus que l’œil peut discerner sur l’écran de visualisation.
• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est à dire que les sources sont au niveau de la pupille.Tient compte de l’intégration de l’œil
• Moyen de mesure : Opérateur sur visu et corps noir différentiel
• Expression :
– Ti: temps d’intégration de l’œil i : Fréquence image– Sp(0) : Seuil de S/B– r : taux de recouvrement entre lignes
)0(SrT
NETNETP p
ii
83
Différence de température minimale résolvable : MRTD() (1)
• Définition : C’est la plus petite différence de température entre les barres d’une mire à la fréquence spatiale que l’œil peut discerner sur l’écran de visualisation de la caméra.
• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est à dire que les sources sont au niveau de la pupille.Tient compte de l’intégration spatiale et temporelle de l’œil
• Moyens de mesure : – Opérateur sur visu– Mire de température
84
Différence de température minimale résolvable : MRTD() (2)
• Expression :
– Ti: temps d’intégration de l’œil
i : Fréquence image
– Sp() : Seuil de S/B tel que l’observateur ait une probabilité de 50% de reconnaître la mire à la fréquence spatiale
– r : taux de recouvrement entre lignes
– MTF() est la fonction de transfert de modulation
de tout l’équipement, visualisation comprise
)(MTF
)(S
rT
NETD)(MRT p
ii
85
Critères pour déterminer les performances (Johnson)
Cible
Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour:
Détecter à 50% Reconnaître à 50 % Identifier à 50 %
Camion 0,9 4,5 8,0
Char 0,75 3,5 7,0
Chenillette 1 4,0 5,0
Jeep 1,2 4,5 5,5
Command car 1,2 4,3 5,5
Soldat 1,5 3,8 8
Canon de 105 1 4,8 6
Moyenne 1,0 0,25 4,0 0,8 6,4 1,5
86
Méthodes graphiques
1. A partir de l’écart de température par rapport au fond T0 et de l’atténuation atmosphérique (en Km-1) on détermine la courbe de température apparente T en fonction de la distance D (en km) par la formule :
2. On prend la plus petite dimension angulaire de la cible à la distance D pour graduer la courbe précédente en fréquences spatiales à partir du nombre de cycles nécessaires (voir critères de Johnson)
3. On prend l’intersection de cette courbe avec la courbe de MRTD pour déterminer la fréquence spatiale et la distance pour lesquels l’écart de température apparente est égale à l’écart de température de seuil
)Dexp(TT 0
87
Variation de l’écart de température apparent
88
Caractérisation d’une caméra thermique
89
Détermination de la portée
90
Bibliographie
The Infrared Electro-Optical Systems Handbook :– Vol 3 : William D. Rogatto Electro-Optical components
ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press
– Vol 4: Michael C. Dudzik Electro-Optical Systems
Design, Analysis, and Testing ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press
– Vol 5:Stephen B.Campana Passive Electro-Optical Systems ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press
Testing and Evaluation of Infrared Imaging Systems : Gerard C. Holst
JCD Publishing Electro-Optical Imaging System Performance :Gerard C. Holst JCD
Publishing
La Thermographie Infrarouge : G. Gaussorgues Lavoisier Technique et Documentation
Recommended