Rappels sur l’Infrarouge

Comparaison entre images visible et infrarouge

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

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)

Optronique 2002 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. La cavité presque entièrement fermée est une cavité creusée à l ’intérieur d ’un solide , débouchant à l ’extérieur par un orifice de très petite dimension devant celle de la cavité. Ce système se comporte comme un piège à rayonnement. Le revêtement absorbant parfait est un traitement de surface ou une peinture absorbant dans un large gamme de longueurs d ’onde. On obtient ainsi une bonne approximation du radiateur parfait qui est capable d ’émettre des radiations à toutes les longueurs d ’onde absorbées.

Optronique 2002 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(,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) dR(,T) est la puissance rayonnée par unité de surface de surface du corps d  noir et par unité de longueur d ’onde . h = 6,6256.10 -34 J.s est la constante de PLANCK k = 1,38054.10-23 J/K est la constante de BOLTZMANN c = 2,998 10 8 m/s est la vitesse de la lumière dans le vide La seconde expression d(,T) est surtout utilisée pour le calcul de courants en particulier dans les photodiodes.

Emittance du CN dans une bande Optronique 2002 Emittance du CN dans une bande Emittance spectrale  2 dR(,T) d  d  1 Pour calculer la radiance du corps noir dans une bande spectrale 1 2 , il faut intégrer la radiance spectrale du corps entre ces deux longueurs d’onde, c’est à dire calculer l’aire sous la courbe entre ces deux longueurs d’onde. 1 2 Longueur d’onde

Optronique 2002 Tableau de valeurs

La chaîne radiométrique Optronique 2002 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. Les sources de rayonnement convertissent une autre forme d ’énergie (électrique, chimique, ..) en rayonnement. Les récepteurs, ou détecteurs, transforment le rayonnement reçu en une autre forme d ’énergie

Détecteurs IR

Détecteurs infrarouge Optronique 2002 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 Les détecteurs thermiques absorbent la totalité du rayonnement (idéalement quelque soit la longueur d’onde), ce qui élève leur température d’autant plus que la conductance thermique qui les relie au fond est faible. A la limite si le détecteur est parfaitement isolé de son support cette conductance sera celle de rayonnement du détecteur). Les détecteurs quantiques n’absorbent que les rayonnements dont l’énergie est suffisante pour créé des porteurs, c’est à dire qu’elle doit être supérieure au « gap » du matériau semi-conducteur.

Détecteurs d’imagerie Optronique 2002 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 Les détecteurs de flux délivrent un signal qui est la copie, à la constante de temps du détecteur près, du rayonnement incident. C’est par exemple ce que l’on observe à la sortie d’un détecteur qui regarde un corps noir modulé.

Réponse d’un détecteur Optronique 2002 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) Ces grandeurs sont dépendantes de la longueur d’onde, on parlera de réponse spectrale et de réponse corps noir, notion sur laquelle nous reviendrons dans un prochain chapitre.

Définitions de NEP et D* Optronique 2002 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) On distinguera deux cas: - le rayonnement est monochromatique ou à faible largeur spectrale; dans ce cas NEP et D* sont dépendant de la longueur d ’onde. Il existe une longueur d ’onde pour laquelle D* est maximum, on l’appelle longueur  d’onde de pic ou pic - Le rayonnement est poly chromatique et s’étend sur toute la gamme spectrale, on parlera de NEP et de D* « corps noir ». Ces grandeur ne dépendent plus que la température de la source de rayonnement

Détectivités pic et corps noir Optronique 2002 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

Relation entre détectivités pic et corps noir Le détecteur voit un corps noir à la température TCN avec une étendue géométrique G:

Détectivité limite ou « BLIP » Optronique 2002 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

Largeur de la bande spectrale Optronique 2002 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/ .

Bruit des détecteurs Bruit des détecteurs quantiques : Optronique 2002 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

Expressions des différents bruits des détecteurs Optronique 2002 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 d’un détecteur thermique : Ibg est le courant de fond ambiant de la photodiode, ou courant de court circuit c ’est à dire celui mesuré pour une tension de polarisation nulle. f est la bande passante dans laquelle on mesure le bruit q est la charge de l’éléctron : 1,6 10-19 Cb K est la constante de Boltzmann, Td est la température du détecteur Idk est le courant d ’obscurité de la photodiode, c ’est le courant mesuré en polarisation inverse lorsque la diode regarde un fond froid. R0 est la résistance dynamique de la diode à tension de polarisation nulle lorsqu ’elle regarde un fond froid. R0 = kTd/qIdk. Rsh est la résistance dynamique mesurée au point de polarisation inverse, elle représente les fuites de la jonction. I est le courant total traversant la photodiode ou le photoconducteur K est un coefficient qui dépend de la technologie  Est la conductance thermique du détecteur thermique et  sa capacité calorifique.

Température et émissivité du fond Optronique 2002 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 Une variation de 1% de la température en K , entraîne une variation de 4% de l ’énergie rayonnée dans tout le spectre. Au voisinage de longueur d’onde d ’émission maximale cette variation est de 5%. Par exemple pour un CN à 873 K une variation de 1C entraînera une variation de flux de 0,6 % Lorsque la longueur d ’onde de coupure est plus courte que la la longueur d ’onde du maximum de rayonnement , cette variation est multipliée par le rapport entre l ’énergie du photon et l ’énergie thermique, soit à 300K et pour une longueur d ’onde de 4 µm un coefficient de 12,5! Ainsi 3C d ’écart de température du fond ambiant se traduisent par une variation de 1é,5 % du flux reçu

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

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

Angle de vue du fond ambiant (1) Optronique 2002 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.

Angle de vue de fond ambiant (2)

Types de détecteurs infrarouge 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 d’une tension Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la dilatation d’un gaz Détecteurs 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 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

Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (1) Optronique 2002 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 Le courant débité par la photodiode est égal au flux de charges créé par les photons incidents multiplié par la charge de l’électron q= 1,6 10 -19 Cb Pour déterminer le flux de photons incidents il faut diviser le flux énergétique F par l ’énergie du photon hc/. hc = 2 10-19 J/µm

Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (2) Optronique 2002 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.), Cette expression de la réponse montre que si le rendement quantique est constant jusqu ’à la longueur d’onde de coupure c la réponse spectrale d ’une photodiode sera un triangle..

Réponse spectrale d’une photodiode (3) Optronique 2002 Réponse spectrale d’une photodiode (3) r() 1 0,5 Il s’agit de la réponse d’un détecteur quantique réalisé dans un matériau semi-conducteur à largeur de bande interdite adaptée à la longueur d ’onde maximale à détecter. C’est le cas pour InSb ou cd Hg Te en bande 3 à 5 µm et CdHgTe en bande 8 à 12 µ. En rouge, nous avons représenté une courbe théorique pour un rendement quantique unitaire  cut on pic cut off

Mesure du rendement quantique Optronique 2002 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 :

Réponse polychromatique d’une photodiode (1) Optronique 2002 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

Réponse polychromatique d’une photodiode (2) Optronique 2002 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 : Cette réponse est dépendante de la température du corps noir et de la largeur spectrale utilisée, en particulier lorsque le rayonnement est filtré.

Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (1) Optronique 2002 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: La luminance utilisée dans cette formule est celle du fond vu par le détecteur, ce peut-être une luminance de corps noir si le détecteur regarde effectivement un corps. La plus part du temps, c ’est la luminance d ’un corps gris qui est le produit de l ’émissivité du corps par la luminance du corps noir à la même température.

Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (2) Optronique 2002 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

Rendement quantique  > c, pas d’absorption, () = 0 Optronique 2002 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.

Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité

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!

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 Av Filtre EB Det i Det n Av Filtre EB

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.

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.

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 Rémanence Impédance d’entrèe Linéarité , bruit Changement de point de fonctionnement Reproductibilité de la linéarité Calibration Bruit spatial fixe Gain Au dessus du plancher de bruit du système Impédance de sortie Sensibilité , MTF EMC, diaphonie

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

Technologies des FPA Problématique : Conséquences : 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

CAMERAS THERMIQUES

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,

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

Modélisation des systèmes Contenu de la scène: - Caractéristiques de la cible - Caractéristiques du fond - Mouvements - Textures Transmission atmosphérique: - Brume - Brouillard - Pluie - Poussières Expérience de l'observateur: - Entraînement - Fatigue - Charge de travail Qualité d'image Visualisation: - Luminance - Contraste - Distance de l'observateur Performances du système: - Résolution - Sensibilité - Bruit - Fonction de transfert Divers: - Illumination ambiante - Bruit - Vibrations

Systèmes d’imagerie IR Matrice fixe : 3ème A balayage : 1 ère et 2 ème génération génération

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)

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

Luminances du CN intégrées dans les différentes bandes

Variations de luminances avec T intégrées dans les différentes bandes

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 AdDo2/4F2 a et o sont respectivement la transmission de l’atmosphère sur la distance R et de l’optique

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  .

Différentes configurations de balayage

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)

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

Générations de Systèmes d’imagerie IR 1/2 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 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

Imagerie IR à visu par LED (E-O MUX)

Imagerie IR à multiplexage électronique

TDI : Time delay integration ou accumulation avec retard Principe du « TDI » N détecteurs Det Det Det Det Balayage PA PA PA PA Addition N entrées Retard  Retard 2 Retard 3 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

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.

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.

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

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

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.

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 :

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

Calibration: Bruit spatial fixe résiduel

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)

Temps de pose limite 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. Variation de T avec F# et 

Mosaïques IR disponibles commercialement

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

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

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:

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

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

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

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.

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 CT : Contraste thermique dans la bande spectrale considérée

Contrastes

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

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

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

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 5,5 Command car 4,3 Soldat 1,5 3,8 8 Canon de 105 4,8 6 Moyenne 1,0  0,25 4,0  0,8 6,4  1,5

Méthodes graphiques 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 : 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

Variation de l’écart de température apparent

Caractérisation d’une caméra thermique

Détermination de la portée

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