DE60310533T2

DE60310533T2 - Verbesserungen in bezug auf die kalibration von infrarotkameras

Info

Publication number: DE60310533T2
Application number: DE60310533T
Authority: DE
Inventors: Norman Frederick Watson; Michael Grant Mcguigan
Original assignee: Selex Sensors and Airborne Systems Ltd
Current assignee: Leonardo UK Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: US20050092926A1; GB0205484D0; WO2003076885A1; JP2005519298A; AU2003208478A1; DE60310533D1; EP1483556A1; JP4216730B2; US7253400B2; CA2477965A1; ATE349003T1; CA2477965C; EP1483556B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Justierung von Infrarot (IR)-Kameras, und insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Justierung solcher Kameras, die auf Tieftemperatur gekühlte Detektorelemente aufweisen.
Derartige Kameras benutzen im typischen Fall eine Vielzahl von Detektorelementen in Form einer Brennebenengruppierung (FPA), auf der ein Bild der Szene fokussiert wird. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen bekannt, beispielsweise lineare Mehrelementgruppierungen oder ein Einzelelementdetektor, über dem ein Bild der Szene abgetastet wird.
Daten von den Detektorelementen können benutzt werden, um ein sichtbares Bild auf einem Display, beispielsweise einem Fernsehmonitor, zu erzeugen. Dies ist analog einem herkömmlichen sichtbaren Lichtfernsehbild, wo jedoch die Intensität auf verschiedenen Teilen der Szene eine Funktion der detektierten IR-Strahlung ist und nicht eine Funktion der sichtbaren Lichtstrahlung von den entsprechenden Teilen der Szene.
Einzelne Detektorelemente haben Unterschiede in ihrer Empfindlichkeit gegenüber der einfallenden Strahlung (Fluss) und in der Versetzung oder der „Vorspannung" ihrer Ausgänge als Funktion der Zeit und der Betriebsbedingungen. Die Änderungen in der Empfindlichkeit können Änderungen in der Nicht-Linearität im Ausgang als Funktion des Flusses repräsentieren und sie sind als solche abhängig von dem Flusswert, der seinerseits von der Temperatur der Elemente abhängt, die die betrachtete Szene bilden. In Kameras mit einem Mehrelementdetektor verursacht diese Veränderbarkeit ein ungleichförmiges Ansprechen auf irgendeinen gegebenen IR-Intensitätswert. Diese Ungleichförmigkeit erzeugt Störungen oder Bildfehler über dem sich ergebenden Bild, und dies ist in höchstem Maße unerwünscht.
Es können Detektoren erforderlich sein, um numerische Ausgänge zu erzeugen, die genau den auf den Detektor einfallenden IR-Fluss repräsentieren. Dies wird auch durch die Veränderungen im Detektorverhalten gefährdet.
Es ist bekannt, IR-Kameras dadurch zu justieren, dass Ablesungen von jedem Element vorgenommen werden, wenn eine oder mehrere Bezugsoberflächen auf verschiedenen Temperaturen der Kamera präsentiert werden. Diese Ablesungen werden dann benutzt, um die Kamera zu justieren. Zum Zwecke einer robusten und genauen Justierung ist es notwendig, Oberflächen zu präsentieren, die Flusswerte erzeugen, die den Bereich jener überdecken, die in den abzubildenden Szenen vorkommen können. Jedoch erfordert die Schaffung einer genügend kalten Bezugsoberfläche, die die niedrigen Flusspegel, die äquivalent zu den in der Praxis oft auftretenden Szenen sind, eine beträchtliche Kühlung der Bezugsoberfläche. Dies kann kostspielig und schwierig zu erreichen sein.
Die US-A-4 387 301 beschreibt ein Ziel zur Justierung und Prüfung einer IR-Detektorvorrichtung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Justiersystem zu schaffen, welches keine Kühlung der Bezugsoberfläche mehr benötigt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe, wie in Anspruch 1 angegeben, gelöst durch ein Justiersystem für einen Infrarotdetektor mit den folgenden Merkmalen: mit einer Bezugsoberfläche, die aus einer Vielzahl von hohlen Würfelecken besteht, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend sind; mit einer Temperaturregelvorrichtung, um die Bezugsoberfläche auf einer gewünschten Justiertemperatur zu halten und mit einer Verarbeitungsvorrichtung, die ein vom Infrarotdetektor bei der gewünschten Justiertemperatur erzeugtes Ausgangssignal empfängt und das Detektorausgangssignal mit einem vorbestimmten idealen Ausgangssignal für die gewünschte Justiertemperatur vergleicht und einen Justierkoeffizienten auf der Basis der Differenz zwischen dem Detektorausgangssignal und dem idealen Ausgangssignal bei der gewünschten Justiertemperatur berechnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie dieser in Anspruch 8 definiert ist, betrifft diese ein Verfahren zur Justierung eines Infrarotdetektors, der eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst:
es wird eine Bezugsoberfläche mit bekannter Temperatur einem Infrarotdetektor präsentiert, wobei die Bezugsoberfläche eine Vielzahl von hohlen Würfelecken aufweist, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend sind;
es wird der Ausgang eines jeden Detektorelementes gemessen;
es wird der gemessene Ausgang eines jeden Detektorelementes mit einem nominellen Ausgang für die bekannte Bezugsoberflächentemperatur verglichen, um einen Justierfehler bei der bekannten Temperatur zu bestimmen; und
es wird die Bezugsoberfläche auf eine oder mehrere weitere bekannte Temperaturen erwärmt, und es werden die Schritte b) und c) wiederholt, um einen Justierfehler für jede der weiteren bekannten Temperaturen zu bestimmen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nunmehr auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:
1 veranschaulicht einen Teil einer reflektierenden Oberfläche gemäß der Erfindung;
2 zeigt einen Abschnitt eines Sektors der reflektierenden Oberfläche in seinen Einzelheiten;
3 veranschaulicht die Arbeitsweise einer Würfelecke bei der Reflexion von Licht;
4 veranschaulicht einen ankommenden Lichtstrahl, der durch eine dreidimensionale Würfelecke reflektiert wird; und
5 veranschaulicht ein Blockschaltbild des Justiergerätes, das eine Bezugsoberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt.
Gemäß der Erfindung ist eine Bezugsoberfläche vorgesehen, die, wenn sie über einen tiefgekühlten Detektor betrachtet wird, die Strahlung erzeugen kann, die äquivalent derjenigen ist, die ein schwarzer Körper bei niedrigerer Temperatur aufweist. Dies ermöglicht eine Justierung einer Infrarot (IR)-Kamera für kalte Szenen, ohne dass es notwendig wäre, die Oberfläche auf die tatsächliche Temperatur des schwarzen Körpers abzukühlen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine teilweise reflektierende, teilweise emittierende Oberfläche, die die äquivalente Strahlung eines relativ kalten, schwarzen Körpers bei z.B. 0°C repräsentiert, und dies geschieht mit einer Ausrüstung, die bei Temperaturen, im typischen Fall bei Raumtemperatur oder darüber, arbeitet. Die Oberfläche kann zur Justierung eines gekühlten IR-Detektors mit Brennebenengruppierung (FPA) benutzt werden.
Eine einfache ebene Oberfläche mit einem Emissionsgrad von N% reflektiert umgebendes, heißes Metall mit 100-N%, so dass es unmöglich ist, eine niedrige Gesamtstrahlung einfach durch Änderung des Emissionsgrades der Oberfläche zu erreichen. Um dies zu realisieren, ist es notwendig, die Oberfläche abzukühlen. Durch Benutzung einer Oberfläche mit einem Würfeleckenmuster wird es möglich, die Reflexionen von heißem (oder auf Umgebungstemperatur befindlichem) Metall im Wesentlichen zu eliminieren und nur die Temperatur der kalten Brennebenengruppierung (FPA) zu reflektieren, die im typischen Fall auf 77K steht.
Da N% der bemusterten Oberfläche noch emittierend ist, wird es möglich, die äquivalente Temperatur der Oberfläche (über 77K) durch Erhitzung der Oberfläche zu steuern.
Nunmehr wird auf 1 Bezug genommen, wo ein Teil 10 einer Bezugsoberfläche dargestellt ist. Die Bezugsoberfläche wird durch ein Muster hohler Würfelecken 12, 14, 16, 18, 20, 22 gebildet und ist somit ähnlich jener Oberfläche, wie sie sich bei Fahrradreflektoren findet. Jede Oberfläche eines jeden Würfels 12, 14, 16, 18, 20, 22 ist versilbert oder aluminisiert, um eine nominell 100%ig reflektierende Oberfläche zu schaffen. Dies gewährleistet, dass eine nicht dargestellte zu justierende Brennebenengruppierung (FPA) reflektiertes Licht nur von der kalten FPA empfängt, und der Fluss hiervon ist klein im Vergleich mit dem gewünschten Fluss. Die Temperatur der FPA wird bei etwa 77K gesteuert. Der reflektierenden Oberfläche wird dann ein gleichförmiges Muster matter, schwarzer Farbe mit einer durchschnittlichen Dichte von 0% überlagert, so dass der wirksame Emissionsgrad N% beträgt. Das Farbmuster und im Idealfall die Oberflächenstruktur müssen eine relativ hohe Ortsfrequenz haben und so positioniert sein, dass eine De-Fokussierung durch die Optik der Kamera eine gleichförmige Intensität auf der FPA präsentiert. Eine derartige Anordnung ist in 2 dargestellt.
2 veranschaulicht einen Abschnitt 24 der Bezugsoberfläche im Einzelnen. Hier ist ersichtlich, dass die matte, schwarze Farbe 26 eine Vielzahl von Punkten 28 umgibt, die wirksam durch die Farbe 26 nicht überzogen sind. Diese Punkte 28 sind das, was von der ursprünglichen reflektierenden Oberfläche verbleibt, nachdem die matte, schwarze Farbe 26 aufgebracht wurde.
Nach einer Versilberung oder Aluminisierung und einer nachfolgenden Farbgebung erscheint die gesamte Bezugsoberfläche, wenn sie durch einen gekühlten IR-Detektor betrachtet wird, als Quelle in Form eines schwarzen Körpers, der eine Temperatur hat, die niedriger ist als die tatsächliche Temperatur der Bezugsoberfläche. Die scheinbare Temperatur ist eine Funktion der tatsächlichen Temperatur der Bezugsoberfläche, da die Strahlung von den matten, schwarzen Flächen ansteigt, wenn sie erhitzt werden. Dies bedeutet, dass die Bezugsoberfläche erhitzt und die Temperatur gesteuert werden können, um unterschiedliche äquivalente Bezugstemperaturen (über 77K) für die FPA zur Betrachtung während der Justierung zu liefern.
3 veranschaulicht einen Schnitt einer Würfelecke 30. Wie ersichtlich, wird ein auf dem Pfad 32 angekommender Lichtstrahl reflektiert, um einem Pfad 34 zu folgen, und er wird dann wiederum reflektiert, um auf den Pfad 36 zurückzukehren. In gleicher Weise wird ein auf dem Pfad 38 ankommender Strahl in den Pfad 40 reflektiert und dann zurück auf den Pfad 42 reflektiert. In beiden Fällen wird ein Strahl, der auf den Pfaden 32, 38 ankommt, durch die Würfelecke 30 auf parallele Pfade 36, 42 in Gegenrichtung zu den ankommenden Strahlen reflektiert. Dies wird als Retro-Reflexion bezeichnet.
Es ist leicht verständlich, dass die Prinzipien, die vorstehend in Verbindung mit 3 beschrieben wurden, sich auf alle Lichtstrahlen beziehen, die auf eine dreidimensionale Würfelecke auftreffen, beispielsweise auf die Würfelecken 12, 14, 16, 18, 20, 22, wie dies oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Insbesondere zeigt 4 Würfeleckoberflächen, die parallel zu einigen Achsen x, y, z ausgerichtet sind. Ein ankommender Lichtstrahl 44 besitzt eine Bewegung in einer bestimmten Richtung (d.h. er besitzt eine Geschwindigkeit) mit Komponenten, z.B. x₁, y₁, z₁. Der Strahl 44 wird einmal durch jede der drei Oberflächen (x = y = 0; x = z = 0 und y = z = 0) reflektiert. An jeder Oberfläche wird das Vorzeichen der Komponente längs der Normalen der Oberfläche invertiert, d.h. an der Oberfläche x = y = 0 wird die Komponente der Geschwindigkeit z₁ invertiert und wird –z₁. Die anderen Komponenten werden nicht geändert. Nach allen drei derartigen Reflexionen hat der reflektierte Strahl 44' eine Geschwindigkeit (Richtung) –x₁, –y₁, –z₁. Dies ist gleich und entgegengesetzt gerichtet zu dem ankommenden Strahl 44.
Bei der Herstellung der oben beschriebenen Bezugsoberfläche wird angenommen, dass eine Versilberung oder Aluminisierung vor der Farbgebung eine reflektierende Oberfläche erzeugt, die geometrisch genauer ist, als wenn dieses Verfahren in umgekehrter Weise durchgeführt wird.
Als Alternative zu der Farbgebung kann die versilberte oder aluminisierte Oberfläche geätzt werden, um darunter eine nicht-reflektierende Oberfläche zu belassen. Dies hat einen Effekt, der äquivalent einer matten, schwarzen Farboberfläche ist.
5 zeigt eine Justieranordnung 50, die eine Bezugsoberfläche 52 benutzt, wie sie oben in Verbindung mit 1 bis 4 beschrieben wurde. Die Bezugsoberfläche 52 ist mit einer Heizeinheit 54 verbunden, die die Bezugsoberfläche auf die Justiertemperatur erhitzt, bei der eine Infrarotkamera 56 justiert werden soll. Die Heizeinheit 54 ist mit einem Steuergerät 58 verbunden, das die Anordnung 50 steuert. Ein Temperatursensor auf der Bezugsoberfläche 52 führt die Temperaturdaten an das Heizsteuergerät 58 zurück, um die Temperatur der Bezugsoberfläche 52 thermostatisch auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die gewünschte Temperatur wird durch einen Prozessor 62 als Teil der Justierfolge definiert und dem Steuergerät 58 übermittelt.
In bekannter Weise wird die Kamera 56 mit einer Kühlsteuereinheit 60, die die nicht dargestellten Detektorelemente in der Kamera 56 kühlt und mit dem Prozessor 62 verbunden, der Signale von der Kamera 56 enthält und die Signale verarbeitet und einen Ausgang 64 liefert. Der Prozessor 62 bewirkt auch eine Steuerung der Kühlsteuereinheit 60, so dass die Kamera 56 im Betrieb und bei der Justierung auf der optimalen Betriebstemperatur gehalten wird.
Der Prozessor 62 ist auch mit einer Speichereinheit 66 verbunden, wo die Justierkoeffizienten gespeichert werden, die während der Justierung bestimmt wurden.
Während der Justierung wird die Bezugsoberfläche 52 so positioniert, dass sie durch die Kamera 56 betrachtet werden kann. Anfangs ist die Heizeinheit 54 nicht in Betrieb, und die Bezugsoberfläche 52 erzeugt einen Fluss unter dem minimal erforderlichen Justierflusswert. Dieser Fluss ist prinzipiell eine Kombination des reflektierten Flusses vom gekühlten Detektor und des emittierten Flusses von den emittierenden Teilen der Bezugsoberfläche, die sich auf der inneren Umgebungstemperatur der Kamera befinden. Es ist auch ein gewisser Streufluss infolge der Unvollkommenheit der Reflektoren und der Reflexionen der Kameraoptik vorhanden, jedoch kann dieser Einfluss durch sorgfältig gewählte Konstruktion minimal gehalten werden.
Dann wird die Heizeinheit 54 unter der Steuerung des Steuergerätes 58 aktiviert, um die Temperatur der Bezugsoberfläche 52 auf jene Temperatur anzuheben, die erforderlich ist, um den minimal erforderlichen Justierflusswert zu erzeugen. Die Kamera 56 detektiert den Fluss, der durch die Bezugsoberfläche 52 präsentiert ist und liefert Signale, die repräsentativ sind für die Ausgänge eines jeden Detektorelementes nach dem Prozessor 62. Wie üblich, verarbeitet der Prozessor 62 das Signal und liefert einen Ausgang 64, der die Bildintensität an jedem Teil der Szene repräsentiert. Innerhalb des Prozessors 62 wird der Ausgangswert von jedem Detektorelement (einschließlich dem Prozessorausgang 64) mit dem Idealwert verglichen, der für die gegewärtige Bezugsoberflächentemperatur berechnet wird. Jede Differenz zwischen dem Ausgangswert und dem Idealwert für jedes Detektorelement wird der Speichereinheit 66 zugeführt, um den Wert zu speichern, bis er später im Justierverfahren benötigt wird.
Dann wird die Heizeinheit 54 unter der Steuerung des Steuergerätes 58 aktiviert, um die Temperatur der Bezugsoberfläche 52 weiter anzuheben. Dieser neue erhöhte Flusswert, der durch die Bezugsoberfläche 52 erzeugt wird, erfolgt primär als Kombination des reflektierten Flusses von der Kamera 56 und der emittierenden Teile der Bezugsoberfläche 52 bei der erhöhten Temperatur, die durch die Heizeinheit 54 gesteuert wird. Es wird wiederum innerhalb des Prozessors 62 der Ausgangswert von jedem Detektorelement mit dem idealen Ausgangswert für die gegenwärtige Bezugsoberflächentemperatur verglichen. Alle Differenzen werden wiederum der Speichereinheit 66 zugeführt, um eine Speicherung vorzunehmen, bis dies später im Justierverfahren benötigt wird. Dieses Verfahren wird für jede der verschiedenen Justiertemperaturen wiederholt, bis die Speichereinheit 66 genügend Daten enthält, um alle Justierkoeffizienten zu berechnen, die notwendig sind, damit die Kamera 56 wirksam arbeiten kann. Im typischen Fall werden derartige Ablesungen bei jeder von drei verschiedenen Bezugsoberflächentemperaturen vorgenommen. Die gespeicherten Ausgangswerte werden dann innerhalb des Prozessors 62 benutzt, um die Koeffizienten der polynomen Funktion zweiter Ordnung zu berechnen, die sich auf Ausgangsfehler der Szenentemperatur für jedes Detektorelement beziehen.
Es ist leicht verständlich, dass infolge der Konstruktion der Bezugsoberfläche 52, wie sie in Verbindung mit den 1 bis 4 beschrieben wurde, im Idealfall der einzige Fluss, der in die Kamera reflektiert wird, jener ist, der von den gekühlten Komponenten des Kameradetektors selbst herrührt. Dies verhindert, dass Temperaturen der die Kamera 56 umschließenden Umgebung das Justierverfahren wesentlich stören. Außerdem können die Temperaturen der Bezugsoberfläche 52 genau dadurch gesteuert werden, dass die durch die Heizeinheit 54 zugeführte Wärmemenge eingestellt wird.
Natürlich können Kamera 56, Kühlsteuereinheit 60, Prozessor 62 und Speichereinheit 62 in einer einzigen Einheit vereinigt werden, wie dies durch die punktierte Linie 68 angedeutet ist.
Das oben beschriebene Verfahren kann auch mit einer Bezugsoberfläche benutzt werden, die sowohl erhitzt als auch abgekühlt werden kann. In diesem Fall kann das erforderliche Ausmaß der Kühlung für die Bezugsoberfläche beträchtlich vermindert werden.

Claims

Justiersystem (50) für einen Infrarotdetektor mit den folgenden Merkmalen: mit einer Bezugsoberfläche (52), die aus einer Vielzahl von hohlen Würfelecken besteht, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend sind; mit einer Temperaturregelvorrichtung (54, 58), um die Bezugsoberfläche (52) auf einer gewünschten Justiertemperatur zu halten und mit einer Verarbeitungsvorrichtung (62, 64), die ein vom Infrarotdetektor (56) bei der gewünschten Justiertemperatur erzeugtes Ausgangssignal empfängt und das Detektorausgangssignal mit einem vorbestimmten idealen Ausgangssignal für die gewünschte Justiertemperatur vergleicht und einen Justierkoeffizienten auf der Basis der Differenz zwischen dem Detektorausgangssignal und dem idealen Ausgangssignal bei der gewünschten Justiertemperatur berechnet.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach Anspruch 1, bei welchem das Emissionsvermögen der Bezugsoberfläche durch Steuerung der Temperatur der Bezugsoberfläche eingestellt wird.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem jede Würfelecke eine reflektierende Oberfläche und eine matte Oberfläche aufweist, um ein wirksames Oberflächenemissionsvermögen von N% zu erzeugen.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach Anspruch 3, bei welchem die reflektierende Oberfläche aus einer versilberten Oberfläche besteht.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach Anspruch 3, bei welchem die reflektierende Oberfläche aus einer aluminisierten Oberfläche besteht.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem die matte Oberfläche aus einer matten, schwarzen Farbe besteht, die über der reflektierenden Oberfläche liegt.
Justiersystem für einen Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem die matte Oberfläche aus einer nicht reflektierenden Oberfläche besteht, die in die reflektierende Oberfläche hinein geätzt ist.
Verfahren zur Justierung eines Infrarotdetektors, der eine Vielzahl von Detektorelementen aufweist und eine Bezugsoberfläche (52) benutzt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) die Bezugsoberfläche (52) wird mit einer bekannten Temperatur einem Infrarotdetektor zugeführt, wobei die Bezugsoberfläche eine Vielzahl von hohlen Würfelecken aufweist, die teilweise reflektierend und teilweise emittierend sind; b) es wird der Ausgang eines jeden Detektorelementes gemessen; c) es wird der gemessene Ausgang eines jeden Detektorelementes mit einem nominellen Ausgang für die bekannte Bezugsoberflächentemperatur verglichen, um einen Justierfehler bei der bekannten Temperatur zu bestimmen; und d) es wird die Bezugsoberfläche auf eine oder mehrere weitere bekannte Temperaturen erwärmt, und es werden die Schritte b) und c) wiederholt, um einen Justierfehler für jede der weiteren bekannten Temperaturen zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, welches außerdem den Schritt aufweist, eine Funktion zu berechnen, die den Ausgangsfehler eines jeden Detektorelementes auf die Temperatur der Bezugsoberfläche (52) bezieht.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Funktion eine polynominale Funktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, welches weiter den Schritt aufweist, die Justierkonstanten zu speichern, um sie auf Ablesungen anzuwenden, die vom Detektor erlangt werden.