Rappels sur l`infrarouge

Rappels sur l’Infrarouge
1
Comparaison entre images visible
et infrarouge
2
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
3
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)
4
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.
5
La loi de PLANCK
L’émission spectrale du corps noir est décrite par la
loi de PLANCK établie à partir de considérations
thermodynamiques statistiques:
dR(λ,T) = 2 Π h c2 λ-5
(En W/m².µm)
dλ
exp hc - 1
λkT
Ou encore sous forme d’un flux de photons en
divisant par l’énergie du photon hc/λ
dφ(λ,T) = 2 Π c λ-4
(En photons/s.m².µm)
dλ
exp hc - 1
λkT
6
Emittance du CN dans une bande
Emittance spectrale
∫
λ1
λ2
λ2
dR(λ,T) d λ
λ1 d λ
Longueur d’onde
7
Tableau de valeurs
λ
Microns
∫
λ
λ1
3
3
3,5
3,5
4
4
8
8
8
10
10
12
λ2
5
5,5
5
5,5
5
5,5
10
12
14
12
14
14
290 K
4,11.10-4
7,87.10-4
3,97.10-4
7,73.10-4
3,49.10-4
7,25.10-4
5,12.10-3
1,03.10-2
1,48.10-2
5,17.10-2
9,72.10-3
4,55.10-3
2
1
∂ R (λ , T )
⋅ d λ
∂λ
300 K
5,97.10-4
1,11.10-3
5,75.10-4
1,09.10-3
5,01.10-4
1,02.10-3
6,15.10-3
1,22.10-2
1,74.10-2
6,02.10-2
1,12.10-2
5,19.10-3
310 K
8,48.10-4
1,54.10-3
8,13.10-4
1,5.10-3
7,02.10-4
1,39.10-3
7,32.10-3
1,43.10-2
2,01.10-2
6,95.10-2
1,28.10-2
5,86.10-3
( en W /cm2)
873 K
1,17
1,38
0,85
1,06
0,53
0,74
0,25
0,38
0,46
0,14
0,22
8.10-2
8
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.
9
Détecteurs IR
10
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
11
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
12
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 :
η = <Ncharges>/<Nphotons>
(η<1)
13
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 :
D* =
Ad ∆f
NEP
(en W-1.cm.Hz 1/2)
14
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 λpic
• 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
15
Relation entre détectivités
pic et corps noir
Le détecteur voit un corps noir à la température TCN avec une
étendue géométrique G:
16
Détectivité limite ou « BLIP »
Un détecteur IR voit toujours un fond ambiant à la
température T, dans un angle solide Ωv. (Pour un
détecteur refroidi cet angle est limité par un
diaphragme froid, pour les détecteurs non refroidis
cet angle solide est égal à 4 π.)
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
17
Largeur de la bande spectrale
• En l’absence de filtre, c’est la bande définie par la
réponse spectrale du détecteur r(λ)
• En présence d’un filtre, c’est sa transmission T (λ)
qui détermine la bande. (On remplace dans les
expressions précédentes r(λ) par r(λ).T (λ) ou η(λ)
par η(λ).T (λ) )
• Attention: les transmissions sont souvent données
en fonction du nombre d’onde 1/ λ.
18
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
19
Expressions des différents bruits des
détecteurs
• Bruits dans une photodiode :
– Bruit de courant de fond : i = 2qI
2
nbg
2
bg
= 2 qI dk ∆ f =
– Bruit de courant d’obscurité :
i
– Bruit de la résistance shunt :
insh =
– Bruit en 1/f :
i
2
nf
ndk
2
I2
= K ∆f
f
• Bruit d’un photoconducteur :
i
– Bruit de la résistance :
4kTd ∆f
R sh
=
2
nR
∆f
d
4 kT d ∆ f
Rd
2
– Bruit de génération/recombinaison : i ngr
= I2 ⋅
– Bruit en 1/f :
i
2
nf
I2
= K
∆f
f
• Bruit d’un détecteur thermique :
4 kTd ∆ f
R0
2 τ∆ f
N (1 + 4 Π 2 f 2 )
4 kTd2 G th ∆ f
∆T = 2
2
G th + 4 Π 2 f 2 C th
2
20
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
21
Pourquoi refroidir un détecteur
Infrarouge?
• Pour réduire l’influence du
fond ambiant : diaphragme
froid
• Pour réduire la génération
thermique dans les semiconducteurs à faible gap
On place le détecteur IR
dans un cryostat pour
réduire son bruit et
augmenter sa détectivité
22
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
(λ<12µm)
– Applications spatiales à faible flux de fond
23
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.
24
Angle de vue de fond ambiant (2)
25
Types de détecteurs infrarouge
Détecteurs thermiques
Détecteurs quantiques
Les 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
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 quantiques
Trois modes d’utilisation des porteurs :
• Photoconducteurs, variation de
résistance
• Photovoltaïque, apparition d’une
tension ou génération d’un courant
• Photomagnétoélectrique, apparition
d’une tension
26
Réponse d’une photodiode à un
rayonnement monochromatique (1)
A chaque longueur d’onde λ est associée une valeur du
rendement quantique η(λ). Le courant élémentaire di(λ)
délivré par la photodiode en réponse au rayonnement
monochromatique reçu Fr(λ) de largeur spectrale dλ est :
Fr (λ)
di(λ) = η(λ) ⋅ q ⋅
dλ
hc
λ
q est la charge de l’électron, hc/ λ l’énergie des photons
27
Réponse d’une photodiode à un
rayonnement monochromatique (2)
Pour calculer la réponse RI(λ), 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 dλ, vu sous angle solide ΩS :
∂L(λ, T)
Fr (T, λ) = A d ⋅ Ω s ⋅
dλ
∂λ
soit :
q
R I (λ ) =
⋅ η( λ ) ⋅ λ
hc
On appellera réponse normalisée r(λ) = R(λ)/ R(λpic.),
28
Réponse spectrale d’une photodiode
(3)
r(λ)
1
0,5
0
λcut on
λpic
λcut off
λ
29
Mesure du rendement quantique
• Connaissant la réponse du détecteur R(λpic),
on peut calculer le rendement quantique par
la formule:
hc ⋅ R ( λ pic )
η( λ pic ) =
q ⋅ λ pic
• Avec hc/q = 1,25 la formule devient :
η(λ pic ) = 1,25 ⋅ R(λ pic ) λ pic
30
Réponse polychromatique d’une
photodiode (1)
Pour un rayonnement polychromatique occupant
la bande λ1,λ2, l’expression du courant élémentaire
doit être intégrée sur cette gamme spectrale
λ2
λ2
∂ Fr ( λ , T )
I ( T , λ 1 , λ 2 ) = ∫ di ( T , λ ) = ∫ R I ( λ ) ⋅
⋅ dλ
∂λ
λ1
λ1
λ2
∂L ( λ , T )
I(T , λ1 , λ 2 ) = A d ⋅ Ω s ⋅ ∫ R I (λ ) ⋅
⋅ dλ
∂λ
λ1
31
Réponse polychromatique d’une
photodiode (2)
Pour calculer la réponse RI(T,λ1,λ2), de la
photodiode, il nous faut calculer le flux
énergétique reçu par le
λ
∂L(λ, T)
⋅ dλ
détecteur : F(T, λ1 , λ 2 ) = A d ⋅ Ω v ⋅ ∫
2
λ1
∂λ
λ2
soit :
R I (T , λ1 , λ 2 ) =
∂L ( λ , T )
∫λ R I (λ ) ⋅ ∂λ ⋅ dλ
1
λ2
∂L ( λ , T )
∫λ ∂λ ⋅ dλ
1
32
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,λ1,λ2), de l ’angle solide de vue
Ωv et de la surface Ad
Fbg = A d ⋅ Ω v ⋅ L ( Tbg , λ 1 , λ 2 ) =
λ2
∫
λ1
∂ L ( λ , Tbg )
∂λ
⋅ dλ
D’où le courant de fond : I (Tbg) = RI(Tbg) .L(Tbg,λ1,λ2),
d’après les relations précédentes:
λ2
∂L(Tbg , λ)
q
I(Tbg ) = Ad ⋅ Ωv ⋅ ⋅ ∫ η(λ) ⋅
⋅ λ ⋅ dλ
hc λ1
∂λ
33
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
34
Rendement quantique
Il dépend de la longueur d’onde par le coefficient
d’absorption du matériau et la recombinaison en
surface
•
•
λ
> λc, pas d’absorption, η(λ) = 0
λ < λc, absorption totale, η(λ) <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.
35
Caractéristiques des
détecteurs IR, Détectivité
36
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!
37
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.
Det 1
Av
Filtre
EB
Det 2
Av
Filtre
EB
Signal
Vidéo
Mux
Det i
Av
Filtre
EB
Det n
Av
Filtre
EB
38
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 :
t
Q (t
N
∫
) =
t
N
N
S ( t ) dt
− T
S(t) est le signal délivré par le détecteur, un courant
ou une tension.
39
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
40
nécessaire d’hybrider deux puces.
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
41
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
42
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
43
CAMERAS THERMIQUES
44
Applications de l’imagerie thermique
COMMUNAUTÉ
APPLICATIONS
Militaire
Reconnaissance, navigation, pilotage de nuit,
acquisition de cibles, tir
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,
Commercial
45
Spécifications de besoins
DOMAINE 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
46
Modélisation des systèmes
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
Transmission atmosphérique:
- Brume
- Brouillard
- Pluie
- Poussières
Qualité
d'image
Visualisation:
- Luminance
- Contraste
- Distance de l'observateur
Divers:
- Illumination ambiante
- Bruit
- Vibrations
47
Systèmes d’imagerie IR
Matrice fixe : 3ème
génération
A balayage : 1 ère et 2 ème
génération
48
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)
•
49
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
50
Luminances du CN intégrées
dans les différentes bandes
51
Variations de luminances avec ∆T
intégrées dans les différentes bandes
52
Équation du flux incident sur le
détecteur (Source étendue)
Le flux ϕ reçu par le détecteur s’exprime à partir de la luminance
spectrale du corps noir Lλ(T) de la surface élémentaire découpée
sur la cible par le cône de résolution du détecteur d’angle solide Ωr
et de l’angle solide sous lequel l’optique collectrice est vue depuis
la source:
ϕ = τa τo Lλ ΩrR2 πDo2/4R2 = τa τo Lλ AdπDo2/4F2
τa et τo sont respectivement la transmission de l’atmosphère sur la
distance R et de l’optique
53
Systèmes à balayage
Le temps de passage d’une cible ponctuelle dans l’angle solide de vue
d’un élément détecteur, appelé « dwell time » τ est une
caractéristique des systèmes à balayage
τ = α / Vb
Vb est la vitesse de balayage en mrd/s et α = 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 τ .
54
Différentes configurations de
balayage
55
Efficacité de balayage
Temps
période totale
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)
56
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
57
Générations de Systèmes
d’imagerie IR 1/2
2 ème Génération
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
•
•
•
•
•
•
•
•
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
58
Imagerie IR à visu par LED
(E-O MUX)
59
Imagerie IR à multiplexage
électronique
60
Principe du « TDI »
N détecteurs
Det
Det
Det
Det
PA
PA
PA
PA
Retard τ
Retard 2τ
Balayage
Addition
N entrées
Retard 3τ
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
61
Avantages du TDI
• Rapport signal à bruit amélioré d’un facteur N (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.
62
Échantillonnage et détecteurs IR
Dans 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.
63
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
64
Calibration: Pourquoi calibrer les
détecteurs?
La réponse et le niveau continu de chaque élément
détecteur sont différents,le signal s’écrit :
Sij = Rij *Φij + Oij
– Rij est la réponse de l’élément ij
– Φij est le flux incident sur l’élément ij
– Oij est le niveau continu de l’élément ij
Seul Φij est variable avec le temps si l’image bouge, Rij
et Oij sont les deux paramètres du bruit spatial fixe
65
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.
66
Calibration deux points
Sur les fonds de référence les signaux sont :
Sij1 = Rij *Φij(T1) + Oij
Sij2 = Rij *Φij(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 :
Sijc =
(< Sij 2 > − < Sij1 >) * Sij+ < Sij1 > *Sij 2 − < Sij 2 > *Sij1
Sij 2 − Sij1
67
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
68
Calibration: Bruit spatial fixe résiduel
69
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)
70
Temps de pose limite
•
Bande
Flux de
spectrale
photons
µm
Phot/s/cm²/sr
Tfond = 300K
Courant
T pose
photonique n=1 max en ms
et Ad = 10-5 cm² pour 15 Me
F# =2
en ms
3,5 à 4,5
3,5 à 5
3,5 à 5,5
1,62E+15
4,07E+15
8,34E+15
4,72E-10
1,19E-09
2,43E-09
5,084
2,022
0,986
8,5 à 10
8,5 à 10,5
9 à 10
9 à 10,5
9 à 11
6,9E+16
9,4E+16
4,7E+16
7,3E+16
9,9E+16
2,01E-08
2,75E-08
1,38E-08
2,13E-08
2,89E-08
0,120
0,087
0,173
0,113
0,083
•
•
Variation de T avec F# et η
(1 + 4F#2 )T(F# = 2)
T(F# ) =
17η
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.
71
Mosaïques IR disponibles
commercialement
Bande
spectrale
Visible
SWIR
MVIR
LWIR
Type de
Mosaïque
Dimensions
Mosaïque
Silicium
CCD
Monolithique
488 x 640
InGaAs Hyb
Taille du
pixel
Bruit en e
rms par
pixel
Non
uniformité
%
Température de
fonctionnement
K
7 à 30 µm
1à5
<1
300
640 x 480
15 à 25 µm
20 à 100
2
250 à 300
InSb Hybride
640 x 480
20 à 30 µm
100 à 1000
4
80 à 95
CdHgTe Hybr.
320 x 240
30 µm
100 à 1000
5
80 à 120
Pt: Si Hybr.
1024 x1024
15 à 25 µm
20 à 100
2
60
CdHgTe Hybr.
320 x 240
30 à 50 µm
300 à 3000
10
80 à 100
QWIP Hybr.
640 x 480
30 µm
100 à 1000
5
60 à 65
Bolomètres ou 240 x 320
Pyroélectriques
35 µm
30 000
20 à 30
300
4000 x 4000
72
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
73
Éclairement équivalent
au bruit : NEI (2)
• Expression :
• Détecteur :
1
NEI =
τ opt S opt
∆f
Ad
D *λ pic
– Surface sensible : Ad
– Détectivité dans la bande spectrale ; D*
• Optique :
– Transmission : τopt
– Surface de la pupille : Aopt
• Exploitation du signal :
– Bande passante équivalente de bruit ∆f
74
Éclairement équivalent
au bruit : NEI (3)
• Éclairement de la pupille : E
• Puissance reçue par le
P = ES opt τ opt
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:
NEP
1
=
NEI =
S opt τ opt S opt τ opt
A d ∆f
D *λ pic
75
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
76
Différence de température équivalente
au bruit : NETD (2)
• Expression :
4F#2
NETD =
Π τ opt
• Détecteur :
∆f
∂L(λ , T)
A d ∫ D * (λ )
dλ
∂T
– Surface sensible : Ad
– Détectivité dans la bande spectrale D*(λ) .
Si TDI, multiplier par N1/2
• Optique :
– Transmission : τopt
– Nombre d’ouverture : F#
• Exploitation du signal :
– Bande passante équivalente de bruit ∆f
77
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 =
•
∂L
∆T
∂T
L’optique reçoit une différence de flux
∆F = ∆L
S opt
R
2
∆S =
Ad
∂L
∆S
∂L
S
∆T
∆
T
=
S opt
opt
∂T
∂T
F2
R2
78
Différence de température équivalente
au bruit : NETD (5)
•
•
Le flux reçu par le détecteur à chaque longueur d’onde pour une bande
spectrale élémentaire dλ est :
A
∂ L ( λ , Tb )
S opt 2d ∆ Tb d λ
d ( ∆ Fd ) = τ opt
∂T
F
Le signal du détecteur s’exprime sous la forme :
λ2
•
•
λ
2
Ad
∂ L ( λ , Tb )
S = ∫ r ( λ )d ( ∆ Fd ) = τ opt S opt 2 ∆ Tb ∫ r ( λ )
dλ
∂
T
F
λ1
λ1
Ad ∆f
La puissance équivalente au bruit s’exprime par
NEP=
*
Dλpic
Lorsque S=NEP, ∆Tb = NETD d’où:
τ opt S opt
Ad
NETD
2
F
• On remplace ensuite
pour obtenir NETD.
λ2
∂ L ( λ , Tb )
λ
r
(
)
dλ =
∫λ
∂T
1
S opt
F
2
=
2
Π D opt
4F
2
=
Π
4 F #2
et
Ad
∆f
D *λ pic
D*λpic r(λ) = D* (λ)
79
Différence de température équivalente
au bruit : NETD (6)
Expression limite pour une caméra à matrice fixe
de détecteurs quantiques :
NETD min =
1
C ∆T
2
N max
• Nmax : Quantité de charge maximale stockable
dans la capacité du ROIC
• C∆T : Contraste thermique dans la bande
spectrale considérée
80
Contrastes
∂L (TB , λ )
C∆ =
∂TB
L (TB , λ )
λ2
LT − LB
=
LB
λ2
∫ L(λ, T)dλ − ∫ L(λ, T
B
λ1
)dλ
λ1
λ2
∫ L(λ, T
B
)dλ
λ1
81
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 : NETP = NET S p ( 0)
Ti ν i r
–
–
–
–
Ti: temps d’intégration de l’œil
νi : Fréquence image
Sp(0) : Seuil de S/B
r : taux de recouvrement entre lignes
82
Différence de température minimale
résolvable : MRTD(ν) (1)
• Définition : C’est la plus petite différence de
température entre les barres d’une mire à la
fréquence spatiale ν 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
83
Différence de température minimale
résolvable : MRTD(ν) (2)
• Expression :
NETD Sp (ν)
MRT(ν) =
Ti ν i r MTF(ν)
– Ti: temps d’intégration de l’œil
– νi : Fréquence image
– Sp(ν) : Seuil de S/B tel que l’observateur ait une
probabilité de 50% de reconnaître la mire à la
fréquence spatiale ν
– r : taux de recouvrement entre lignes
– MTF(ν) est la fonction de transfert de modulation
de tout l’équipement, visualisation comprise
84
Critères pour déterminer les
performances (Johnson)
Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour:
Cible
Détecter 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
Reconnaître à 50 % Identifier à 50 %
85
Méthodes graphiques
1.
2.
3.
A partir de l’écart de température par rapport au fond ∆T0 et
de l’atténuation atmosphérique σ (en Km-1) on détermine la
courbe de température apparente ∆T en fonction de la distance
D (en km) par la formule : ∆ T = ∆ T 0 exp( − σ D )
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)
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
86
Variation de l’écart de
température apparent
87
Caractérisation d’une caméra
thermique
88
Détermination de la portée
89
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 08194-1072-1 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
90