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1 Rappels sur lInfrarouge. 2 Comparaison entre images visible et infrarouge.

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1 1 Rappels sur lInfrarouge

2 2 Comparaison entre images visible et infrarouge

3 3 Intérêt de lInfrarouge 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: –Latmosphère est transparente aux rayonnements IR dans trois gammes spectrales –Les spectres démission de nombreuses molécules sont situés dans lIR

4 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 donde donnée ( Analyse de gaz)

5 5 Le corps noir Un corps noir est un objet capable dabsorber 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 6 La loi de PLANCK Lémission spectrale du corps noir est décrite par la loi de PLANCK établie à partir de considérations thermodynamiques statistiques: dR(,T) = 2 h c 2 -5 ( En W/m².µm ) d exp hc - 1 kT Ou encore sous forme dun flux de photons en divisant par lénergie du photon hc/ d (,T) = 2 c -4 ( En photons/s.m².µm ) d exp hc - 1 kT

7 7 Emittance du CN dans une bande Emittance spectrale Longueur donde dR(,T) d d

8 8 Tableau de valeurs

9 9 La chaîne radiométrique Chaîne radiométrique : ensemble des phénomènes qui se produisent depuis lémission par la source de rayonnement jusquà labsorption par le récepteur. Flux : cest la valeur instantanée dun débit de rayonnement, il sexprime en W. Il peut sagir 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 10 Détecteurs IR

11 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 quà lénergie du rayonnement –Les détecteurs quantiques qui transforment les photons incidents en charges électriques

12 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 dimagerie Ils intègrent pendant une durée dimage 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 dune rétine

13 13 Réponse dun détecteur On appelle réponse dun détecteur le rapport entre la grandeur de sortie, courant I ou tension V, et le flux énergétique incident F: R I = I/F (en A/ W) ou R V = 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 : = / ( <1)

14 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 A d 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 lexpression : (en W -1.cm.Hz 1/2 )

15 15 Détectivités pic et corps noir En rayonnement monochromatique, on peut donner une valeur de détectivité pour chaque longueur donde. La détectivité est souvent donnée pour la longueur donde 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 16 Relation entre détectivités pic et corps noir Le détecteur voit un corps noir à la température T CN avec une étendue géométrique G:

17 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 18 Largeur de la bande spectrale En labsence de filtre, cest la bande définie par la réponse spectrale du détecteur r( ) En présence dun filtre, cest 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 donde 1/.

19 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, cest 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 déchanges thermiques entre le détecteur et lenvironnement ambiant

20 20 Expressions des différents bruits des détecteurs Bruits dans une photodiode : –Bruit de courant de fond : –Bruit de courant dobscurité : –Bruit de la résistance shunt : –Bruit en 1/f : Bruit dun photoconducteur : –Bruit de la résistance : –Bruit de génération/recombinaison : –Bruit en 1/f : Bruit dun détecteur thermique :

21 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 dun laboratoire ou un vrai corps noir étendu peut se traduire par une variation de quelques dizaines de % sur le flux. Attention aussi à labsorption et donc lémission par le gaz carbonique dans les bandes étroites autour de 4,3 µm

22 22 Pourquoi refroidir un détecteur Infrarouge? Pour réduire linfluence 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 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 donde de coupure élevée ( <12µm) –Applications spatiales à faible flux de fond

24 24 Angle de vue du fond ambiant (1) Langle 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 sajouter. Pour une barrette de détecteurs ou une matrice, les détecteurs de la périphérie et du centre nont pas le même angle de vue géométrique ni le même éclairement à cause du cosinus de langle que fait laxe du faisceau avec la normale à la surface du détecteur.

25 25 Angle de vue de fond ambiant (2)

26 26 Types de détecteurs infrarouge Détecteurs quantiques Les photons IR dénergie suffisant créent des porteurs dans le matériau selon quatre processus : Absorption intrinsèque Absorption extrinsèque Photo émission par un métal Puits quantiques Trois modes dutilisation des porteurs : Photoconducteurs, variation de résistance Photovoltaïque, apparition dune tension ou génération dun courant Photomagnétoélectrique, apparition dune tension Détecteurs thermiques 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 dune tension Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la dilatation dun gaz

27 27 Réponse dune photodiode à un rayonnement monochromatique (1) A chaque longueur donde est associée une valeur du rendement quantique ( ). Le courant élémentaire di( ) délivré par la photodiode en réponse au rayonnement monochromatique reçu F r ( ) de largeur spectrale d est : q est la charge de lélectron, hc/ lénergie des photons

28 28 Réponse dune photodiode à un rayonnement monochromatique (2) Pour calculer la réponse R I ( ), 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. ),

29 29 Réponse spectrale dune photodiode (3) pi c cut on cut off 1 0,5 0 r( )

30 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 :

31 31 Réponse polychromatique dune photodiode (1) Pour un rayonnement polychromatique occupant la bande 1, 2, lexpression du courant élémentaire doit être intégrée sur cette gamme spectrale

32 32 Réponse polychromatique dune photodiode (2) Pour calculer la réponse R I (T, 1, 2 ), de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique reçu par le détecteur : soit :

33 33 Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (1) Le flux de fond incident F bg sexprime en fonction de la luminance du fond L(T bg, 1, 2 ), de l angle solide de vue v et de la surface A d Doù le courant de fond : I (T bg ) = R I (T bg ).L(T bg, 1, 2 ), daprès les relations précédentes:

34 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 35 Rendement quantique Il dépend de la longueur donde par le coefficient dabsorption du matériau et la recombinaison en surface > c, pas dabsorption, ( ) = 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 dondes se recombinent avant d atteindre la jonction.

36 36 Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité

37 37 Barrettes et matrices de détecteurs infrarouge Un seul détecteur nest généralement pas suffisant pour répondre aux besoins, laugmentation du nombre déléments 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 38 Mux EB Signal Vidéo Filtre AvAv EB Filtre AvAv Det i EB Filtre AvAv EB Filtre AvAv 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 lintérieure de laquelle les échantillons sont placés successivement.

39 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 dimagerie. Un intégrateur remplit les fonction damplification, 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.

40 40 Détecteur dimagerie: FPA et ROIC On appellera une barrette ou une matrice de détecteurs dimagerie FPA ( Focal Plane Array) Le circuit électronique qui permet, dans le plan focal, deffectuer lintégration et le multiplexage des signaux issus des détecteurs de flux sappelle 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 nest généralement pas possible de combiner les deux sur la même puce. Il devient nécessaire dhybrider deux puces.

41 41 Spécifications du ROIC et performances système Performance du ROICInfluence systèmeCommentaires Bruit en Nbre de ChargesSensibilitéMinimun pour S/B Puissance dissipéeTemps de mise en froid, poids, durée de vie Par lintermédiaire des spécif. du cryogénérateur DynamiqueSignal max. à saturationPerte de signal DiaphonieFTM du systèmeEntre éléments Réponse en fréquenceFTM du systèmeRémanence Impédance dentrèeLinéarité, bruitChangement de point de fonctionnement Reproductibilité de la linéarité CalibrationBruit spatial fixe GainSensibilitéAu dessus du plancher de bruit du système Impédance de sortieSensibilité, MTFEMC, diaphonie

42 42 Principe des circuits ROIC Circuit dentrée détecteur quantique Organisation d un TDI CCD Circuit dentrée détecteur bolométrique Organisation des matrices (snap shot et rolling) Temps dintégration et limites actuelles Comment augmenter le temps dintégration? Conséquences

43 43 Technologies des FPA Problématique : –Détection et traitement sont séparés (matrice de détection et ROIC silicium) –Hybridation (connecter chaque pixel IR à une cellule dentrée du ROIC) –Fonctionnement à basse température Conséquences : Éclairement face arrière Dilation différentielle

44 44 CAMERAS THERMIQUES

45 45 Applications de limagerie thermique COMMUNAUTÉAPPLICATIONS MilitaireReconnaissance, navigation, pilotage de nuit, acquisition de cibles, tir Commercial CivilPolice, pompier, garde frontière EnvironnementMesure de pollution, ressources naturelles, réduction dénergie IndustrieMaintenance, contrôle de processus de fabrication, tests non destructifs MédicalThermographie,

46 46 Spécifications de besoins DOMAINE DE CONCEPTION MILITAIRECOMMERCIAL Stabilisation de viséeNécessaireEn général inutile Traitement dimageSpécifique de lapplication (Détection, reconnaissance automatique de cibles) Options commandées par un menu RésolutionRésolution de cible à longue distance ou détail dans un grand champ de vue La distance permet de sadapter Temps de traitementTemps réelTemps 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 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 48 Systèmes dimagerie IR Matrice fixe : 3ème A balayage : 1 ère et 2 èmegénération

49 49 Fonctionnement dune camera thermique Focalisation dans le plan du ou des détecteurs de limage 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 dune 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 : –Lécart de température équivalent au bruit ou NETD –La résolution spatiale et son évolution avec la fréquence spatiale (MRTD)

50 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 51 Luminances du CN intégrées dans les différentes bandes

52 52 Variations de luminances avec T intégrées dans les différentes bandes

53 53 Équation du flux incident sur le détecteur (Source étendue) Le flux reçu par le détecteur sexprime 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 dangle solide r et de langle solide sous lequel loptique collectrice est vue depuis la source: = a o L r R 2 D o 2 /4R 2 = a o L A d D o 2 /4F 2 a et o sont respectivement la transmission de latmosphère sur la distance R et de loptique

54 54 Systèmes à balayage Le temps de passage dune cible ponctuelle dans langle solide de vue dun élément détecteur, appelé « dwell time » est une caractéristique des systèmes à balayage = / V b V b 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 55 Différentes configurations de balayage

56 56 Efficacité de balayage Lefficacité de balayage est définie comme le rapport entre la durée de la partie utile du balayage et la période totale on parle : –Defficacité de balayage ligne –Defficacité de balayage trame –Defficacité de balayage totale (produit des 2) période totale Temps

57 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 dimage

58 58 Générations de Systèmes dimagerie 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 déléments 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 59 Imagerie IR à visu par LED (E-O MUX)

60 60 Imagerie IR à multiplexage électronique

61 61 Principe du « TDI » TDI : Time delay integration ou accumulation avec retard Analyse successive du même élément de la scène par les N détecteurs dune ligne Recalage des signaux à laide de lignes à retard Addition des signaux en provenance des N détecteurs Det PA Retard Retard 2 Retard 3 Addition N entrées Balayage N détecteurs

62 62 Avantages du TDI Rapport signal à bruit amélioré dun facteur(pour N <8) Les détecteurs équivalents lorsquil y a plusieurs lignes de TDI sont plus homogènes entre eux en termes de réponse et de détectivité La présence dun détecteur « mort » dans une ligne nentraine pas de ligne noire dans limage 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.

63 63 Échantillonnage et détecteurs IR Dans le plan focal du système optique, limage 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. Léchantillonnage spatial et léchantillonnage temporel sont dépendant lun de lautre dans la direction du balayage. Dans un système matriciel, le temps de pose et la cadence de lecture seront les deux paramètres définissant léchantillonnage temporel.

64 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 65 Calibration: Pourquoi calibrer les détecteurs? La réponse et le niveau continu de chaque élément détecteur sont différents,le signal sécrit : Sij = Rij * ij + Oij –Rij est la réponse de lélément ij – ij est le flux incident sur lélément ij –Oij est le niveau continu de lélément ij Seul ij est variable avec le temps si limage bouge, Rij et Oij sont les deux paramètres du bruit spatial fixe

66 66 Calibration: Comment effectuer la calibration? Calibration un point : Les détecteurs regardent un fond uniforme à une seule température T 1, 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 T 1 et T 2. Les réponses Sij 1 et Sij 2 servent de référence pour la calibration Calibration multipoints : On utilise plus de deux températures pour les fonds de référence.

67 67 Calibration deux points Sur les fonds de référence les signaux sont : Sij 1 = Rij * ij(T 1 ) + Oij Sij 2 = Rij * ij(T 2 ) + Oij Le signal corrigé sécrit : Sijc = Aij*Sij + Bij Aij et Bij sont respectivement les éléments de la matrice de gain et de la matrice doffset. Ils sont déterminés à partir des signaux Sij 1 et Sij 2 et de leur valeurs moyennes spatiales et doù finalement :

68 68 Calibration:Précautions à prendre Le bruit du signal corrigé est augmenté du bruit des signaux servant au calcul et de limprécision 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 69 Calibration: Bruit spatial fixe résiduel

70 70 Calibration : Causes de dérive et limitations Modification de loffset par : –La température du plan froid, le courant dobscurité 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 : –Léclairement (non linéarité du détecteur et des circuits de lecture)

71 71 Temps de pose limite La technologie des ROIC limite les temps de pose par lintermédiaire de la dynamique des circuits analogiques (au maximum 80dB) et de la quantité de charges que lon 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 donde, de la largeur spectrale, de langle de vue et du rendement quantique. Variation de T avec F # et

72 72 Mosaïques IR disponibles commercialement

73 73 Éclairement équivalent au bruit : NEI (1) Définition : Cest la différence déclairement produit par deux sources étendues qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un. Remarque : On suppose quil ny a pas dinfluence de la transmission atmosphérique, cest àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de léquipement Moyen de mesure : Électrique

74 74 Éclairement équivalent au bruit : NEI (2) Expression : Détecteur : –Surface sensible : A d –Détectivité dans la bande spectrale ; D* Optique : –Transmission : opt –Surface de la pupille : A opt Exploitation du signal : –Bande passante équivalente de bruit f

75 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 léclairement de la pupille est NEI doù:

76 76 Différence de température équivalente au bruit : NETD (1) Définition : Cest la différence de température de deux corps noirs étendus qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un. Remarque : On suppose quil ny a pas dinfluence de la transmission atmosphérique, cest àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de léquipement Moyen de mesure : Électrique et corps noir différentiel

77 77 Différence de température équivalente au bruit : NETD (2) Expression : Détecteur : –Surface sensible : A d –Détectivité dans la bande spectrale D*( ). Si TDI, multiplier par N 1/2 Optique : –Transmission : opt –Nombre douverture : F # Exploitation du signal : –Bande passante équivalente de bruit f

78 78 Différence de température équivalente au bruit : NETD (4) Lélément de la cible S à la température Tb + T présente un écart de luminance par rapport au fond Loptique reçoit une différence de flux

79 79 Différence de température équivalente au bruit : NETD (5) Le flux reçu par le détecteur à chaque longueur donde pour une bande spectrale élémentaire d est : Le signal du détecteur sexprime sous la forme : La puissance équivalente au bruit sexprime par Lorsque S=NEP, T b = NETD doù: On remplace ensuite et pour obtenir NETD.

80 80 Différence de température équivalente au bruit : NETD (6) Expression limite pour une caméra à matrice fixe de détecteurs quantiques : N max : Quantité de charge maximale stockable dans la capacité du ROIC C T : Contraste thermique dans la bande spectrale considérée

81 81 Contrastes

82 82 Différence de température perçue équivalente au bruit : NETP Définition : Cest la différence de température de deux corps noirs étendus que lœil peut discerner sur lécran de visualisation. Remarque : On suppose quil ny a pas dinfluence de la transmission atmosphérique, cest à dire que les sources sont au niveau de la pupille.Tient compte de lintégration de lœil Moyen de mesure : Opérateur sur visu et corps noir différentiel Expression : –T i : temps dintégration de lœil – i : Fréquence image –S p (0) : Seuil de S/B –r : taux de recouvrement entre lignes

83 83 Différence de température minimale résolvable : MRTD( ) (1) Définition : Cest la plus petite différence de température entre les barres dune mire à la fréquence spatiale que lœil peut discerner sur lécran de visualisation de la caméra. Remarque : On suppose quil ny a pas dinfluence de la transmission atmosphérique, cest à dire que les sources sont au niveau de la pupille. Tient compte de lintégration spatiale et temporelle de lœil Moyens de mesure : –Opérateur sur visu –Mire de température

84 84 Différence de température minimale résolvable : MRTD( ) (2) Expression : –T i : temps dintégration de lœil – i : Fréquence image –S p ( ) : Seuil de S/B tel que lobservateur 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 léquipement, visualisation comprise

85 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 % Camion0,94,58,0 Char0,753,57,0 Chenillette14,05,0 Jeep1,24,55,5 Command car1,24,35,5 Soldat1,53,88 Canon de 10514,86 Moyenne 1,0 0,254,0 0,86,4 1,5

86 86 Méthodes graphiques 1.A partir de lécart de température par rapport au fond T 0 et de latténuation 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 lintersection de cette courbe avec la courbe de MRTD pour déterminer la fréquence spatiale et la distance pour lesquels lécart de température apparente est égale à lécart de température de seuil

87 87 Variation de lécart de température apparent

88 88 Caractérisation dune caméra thermique

89 89 Détermination de la portée

90 90 Bibliographie The Infrared Electro-Optical Systems Handbook : –Vol 3 : William D. Rogatto Electro-Optical components ISBN SPIE Press –Vol 4: Michael C. Dudzik Electro-Optical Systems Design, Analysis, and Testing ISBN SPIE Press –Vol 5:Stephen B.Campana Passive Electro-Optical Systems ISBN 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


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