1

Rappels sur l’Infrarouge

2

Comparaison entre images visible et infrarouge

3

Intérêt de l’Infrarouge• Principe fondamental:

– Tous les corps émettent du rayonnement thermique (Loi de Planck)

– Deux corps différents placés à la même température se distinguent par leur émissivité

• Caractéristiques naturelles:– L’atmosphère est transparente aux

rayonnements IR dans trois gammes spectrales– Les spectres d’émission de nombreuses

molécules sont situés dans l’IR

4

Conséquences

Dans les systèmes• Fonctionnement

jour:nuit en mode passif

• Excellente capacité de détection

• Bonne résolution spatiale

• Discrétion

Dans les mesures• Capacité de mesure et

de contrôle sans contact (Thermographie)

• Existence de phénomènes à une longueur d’onde donnée ( Analyse de gaz)

5

Le corps noir

Un corps noir est un objet capable d’absorber totalement tout rayonnement incident, quelque soit sa longueur d ’onde. Il existe deux réalisations pratiques du corps noir :

– La cavité presque entièrement fermée,

– Le revêtement absorbant parfait.

6

La loi de PLANCKL’émission spectrale du corps noir est décrite par la

loi de PLANCK établie à partir de considérations thermodynamiques statistiques:

dR(,T) = 2 h c2 -5 (En W/m².µm) d exp hc - 1

kT

Ou encore sous forme d’un flux de photons en divisant par l’énergie du photon hc/

d(,T) = 2 c -4 (En photons/s.m².µm) d exp hc - 1

kT

7

Emittance du CN dans une bande

Emittance spectrale

Longueur d’onde

dR(,T) d d

1 2

1

2

8

Tableau de valeurs

Microns

d)T,(R2

1

( en W /cm2)

1

2 290 K 300 K 310 K 873 K

3 5 4,11.10-4 5,97.10-4 8,48.10-4 1,17

3 5,5 7,87.10-4 1,11.10-3 1,54.10-3 1,38

3,5 5 3,97.10-4 5,75.10-4 8,13.10-4 0,85

3,5 5,5 7,73.10-4 1,09.10-3 1,5.10-3 1,06

4 5 3,49.10-4 5,01.10-4 7,02.10-4 0,53

4 5,5 7,25.10-4 1,02.10-3 1,39.10-3 0,74

8 10 5,12.10-3 6,15.10-3 7,32.10-3 0,25

8 12 1,03.10-2 1,22.10-2 1,43.10-2 0,38

8 14 1,48.10-2 1,74.10-2 2,01.10-2 0,46

10 12 5,17.10-2 6,02.10-2 6,95.10-2 0,14

10 14 9,72.10-3 1,12.10-2 1,28.10-2 0,22

12 14 4,55.10-3 5,19.10-3 5,86.10-3 8.10-2

9

La chaîne radiométrique

Chaîne radiométrique : ensemble des phénomènes qui se produisent depuis l’émission par la source de rayonnement jusqu’à l’absorption par le récepteur.

Flux : c’est la valeur instantanée d’un débit de rayonnement, il s’exprime en W. Il peut s’agir du débit émis par une source, transporté par un faisceau, ou reçu par un récepteur. Le flux se conserve lors de la propagation dans les milieux homogènes non absorbants.

10

Détecteurs IR

11

Détecteurs infrarouge

Un détecteur de rayonnement IR transforme ce rayonnement incident en un signal électrique. On distingue deux types de détecteurs:– Les détecteurs thermiques qui ne sont sensibles

qu’à l’énergie du rayonnement– Les détecteurs quantiques qui transforment les

photons incidents en charges électriques

12

Types de détecteurs

Détecteurs de flux

• Ils suivent les variations temporelles du rayonnement incident

• Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible

• Ce sont des détecteurs individuels ou les éléments de petites mosaïques

Détecteurs d’imagerie

• Ils intègrent pendant une durée d’image ou une fraction de celle-ci (temps de pose) le rayonnement incident et délivre un échantillon à la cadence image

• Ils intègrent spatialement le rayonnement sur leur surface sensible

• Ce sont les éléments d’une rétine

13

Réponse d’un détecteur

• On appelle réponse d’un détecteur le rapport entre la grandeur de sortie, courant I ou tension V, et le flux énergétique incident F:

RI= I/F (en A/ W) ou RV= V/F (en V/ W)

• Pour un détecteur quantique, on parle de rendement quantique : nombre moyen de charges ou de paires de charges créée par photon reçu :

= <Ncharges>/<Nphotons> (<1)

14

Définitions de NEP et D*• On appelle puissance équivalente au bruit notée

NEP, la puissance du flux signal incident sur le détecteur de surface Ad qui donne un rapport

signal sur bruit unité observé à la fréquence de mesure f dans une bande passante f.

• On appelle détectivité spécifique D*, la grandeur normalisée par l’expression :

(en W-1.cm.Hz

1/2)NEP

fA*D

d

15

Détectivités pic et corps noir

• En rayonnement monochromatique, on peut donner une valeur de détectivité pour chaque longueur d’onde. La détectivité est souvent donnée pour la longueur d’onde du maximum de réponse du détecteur pic

• En rayonnement total corps noir à la température T dans une bande spectrale donnée la détectivité ne dépend que de cette température et de la bande spectrale

16

Relation entre détectivités pic et corps noir

Le détecteur voit un corps noir à la température TCN avec une étendue géométrique G:

17

Détectivité limite ou « BLIP »

Un détecteur IR voit toujours un fond ambiant à la température T, dans un angle solide v. (Pour un

détecteur refroidi cet angle est limité par un diaphragme froid, pour les détecteurs non refroidis cet angle solide est égal à 4 .)

On appelle détectivité limite ou « BLIP » la valeur obtenue en considérant que la seule source de bruit est la fluctuation du fond ambiant.

BLIP: Background limited Infrared Detector

18

Largeur de la bande spectrale

• En l’absence de filtre, c’est la bande définie par la réponse spectrale du détecteur r()

• En présence d’un filtre, c’est sa transmission T () qui détermine la bande. (On remplace dans les expressions précédentes r() par r().T () ou () par ().T () )

• Attention: les transmissions sont souvent données en fonction du nombre d’onde 1/ .

19

Bruit des détecteurs• Bruit des détecteurs quantiques :

– Le bruit blanc provenant des mécanismes de génération et de recombinaison des charges créées par les photons incidents ou par la température du détecteur.

– Le bruit thermique de la résistance du détecteur, c’est aussi un bruit blanc.

– Le bruit en 1/f dû aux imperfections technologiques et à la polarisation du détecteur.

• Bruit des détecteurs thermiques:– Les fluctuations d’échanges thermiques entre le

détecteur et l’environnement ambiant

20

Expressions des différents bruits des détecteurs

• Bruits dans une photodiode :

– Bruit de courant de fond :

– Bruit de courant d’obscurité :

– Bruit de la résistance shunt :

– Bruit en 1/f :

• Bruit d’un photoconducteur :

– Bruit de la résistance :

– Bruit de génération/recombinaison :

– Bruit en 1/f :

• Bruit d’un détecteur thermique :

fqI2 bg

2

nbgi

0

ddk

2

ndk R

fkT4fqI2i

sh

d2

nsh R

fkT4i

ff

IK

22

nfi

d

d2

nR R

fkT4i d

)f41(N

f2Ii

22

22ngr

2th

222th

th2d2

Cf4G

fGkT4T

ff

IK

22

nfi

21

Température et émissivité du fond

• Du point de vue photométrique, l ’idéal est le corps noir, attention cependant à ce que la température soit bien contrôlée!

• Regarder les objets d’un laboratoire ou un vrai corps noir étendu peut se traduire par une variation de quelques dizaines de % sur le flux.

• Attention aussi à l’absorption et donc l’émission par le gaz carbonique dans les bandes étroites autour de 4,3 µm

22

Pourquoi refroidir un détecteur Infrarouge?

• Pour réduire l’influence du fond ambiant : diaphragme froid

• Pour réduire la génération thermique dans les semi-conducteurs à faible gap

On place le détecteur IR dans un cryostat pour réduire son bruit et augmenter sa détectivité

23

Besoins en cryogénie des détecteurs IR

• Fonctionnement à température ambiante– Détecteurs visibles ou proche IR– Détecteurs thermiques

• Fonctionnement à température intermédiaire 200 à 250K– Certains détecteurs 3- 5 µm (PC)

• Fonctionnement à 77K (Azote liquide):– La très grande majorité des détecteurs performants en 3-5µm

et 8-12µm• Fonctionnement à très basse température ( 4 à 30K)

– Certains détecteurs à longueur d’onde de coupure élevée (<12µm)

– Applications spatiales à faible flux de fond

24

Angle de vue du fond ambiant (1)• L’angle de vue du fond ambiant est délimité par le

diaphragme froid.• Sans ce diaphragme, le détecteur voit le

rayonnement émis dans tout le 1/2 espace situé devant lui. Des rayonnements parasites réfléchis ou diffusés peuvent s’ajouter.

• Pour une barrette de détecteurs ou une matrice, les détecteurs de la périphérie et du centre n’ont pas le même angle de vue géométrique ni le même éclairement à cause du cosinus de l’angle que fait l’axe du faisceau avec la normale à la surface du détecteur.

25

Angle de vue de fond ambiant (2)

26

Types de détecteurs infrarougeDétecteurs quantiques

Les photons IR d’énergie suffisant créent des porteurs dans le matériau selon quatre processus :

• Absorption intrinsèque• Absorption extrinsèque• Photo émission par un métal• Puits quantiquesTrois modes d’utilisation des porteurs :• Photoconducteurs, variation de

résistance• Photovoltaïque, apparition d’une

tension ou génération d’un courant• Photomagnétoélectrique, apparition

d’une tension

Détecteurs thermiquesLes radiations IR incidentes

élèvent la température du détecteur et modifie ainsi une caractéristique physique de celui ci:

• Bolomètre, variation de conductivité

• Pyro-électrique, modification de la polarisation électrique

• Thermo-voltaïque, apparition d’une tension

• Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la dilatation d’un gaz

27

Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (1)

A chaque longueur d’onde est associée une valeur du rendement quantique (). Le courant élémentaire di() délivré par la photodiode en réponse au rayonnement monochromatique reçu Fr() de largeur spectrale d est :

q est la charge de l’électron, hc/ l’énergie des photons

d

hc)(F

q)()(di r

28

Réponse d’une photodiode à un rayonnement monochromatique (2)

Pour calculer la réponse RI(), de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique élémentaire reçu par le détecteur émis par un corps noir à la température T dans la bande d, vu sous angle solide S :

soit :

On appellera réponse normalisée r() = R()/ R(pic.),

d)T,(L

A),T(F sdr

)(hc

q)(R I

29

Réponse spectrale d’une photodiode (3)

piccut on cut off

1

0,5

0

r()

30

Mesure du rendement quantique

• Connaissant la réponse du détecteur R(pic), on peut calculer le rendement quantique par la formule:

• Avec hc/q = 1,25 la formule devient :

pic

picpic q

)(Rhc)(

picpicpic )(R25,1)(

31

Réponse polychromatique d’une photodiode (1)

Pour un rayonnement polychromatique occupant la bande 1,2, l’expression du courant élémentaire

doit être intégrée sur cette gamme spectrale

2

1

2

1

d)T,(F

)(R),T(di),,T(I rI21

d)T,(L

)(RA),,T(I2

1

Isd21

32

Réponse polychromatique d’une photodiode (2)

Pour calculer la réponse RI(T,1,2), de la photodiode, il nous faut calculer le flux énergétique reçu par le

détecteur :

soit :

d)T,(L

A),,T(F2

1

vd21

2

1

2

1

d)T,(L

d)T,(L

)(R

),,T(RI

21I

33

Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et courant (1)

Le flux de fond incident Fbg s’exprime en fonction de la

luminance du fond L(Tbg,1,2), de l ’angle solide de vue

v et de la surface Ad

D’où le courant de fond : I (Tbg) = RI(Tbg) .L(Tbg,1,2),

d’après les relations précédentes:

d)T,(L

),,T(LAF2

1

bg21bgvdbg

d),T(L

)(hc

qA)T(I

2

1

bgvdbg

34

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

Le courant dépend des paramètres suivants:• Surface sensible du détecteur• Rendement quantique dans la bande

spectrale• Largeur de la bande spectrale• Angle de vue du fond ambiant• Température et émissivité du fond

35

Rendement quantique

Il dépend de la longueur d’onde par le coefficient d’absorption du matériau et la recombinaison en surface

• > c, pas d’absorption, () = 0

• < c, absorption totale, () <1 car une partie des photons sont réfléchis par la surface et une partie des porteurs créés en surface par les rayonnements aux courtes longueurs d’ondes se recombinent avant d ’atteindre la jonction.

36

Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité

37

Barrettes et matrices de détecteurs infrarouge

Un seul détecteur n’est généralement pas suffisant pour répondre aux besoins, l’augmentation du nombre d’éléments sensibles pose les problèmes suivants: – Nombre de sorties du cryostat, les pertes thermiques

augmentent avec ce nombre

– Coût des préamplificateurs et des chaînes de traitement des signaux

Conclusion : il faut multiplexer!

38

Mux

EB

SignalVidéo

FiltreAv

EBFiltreAv

Det i EBFiltreAv

EBFiltreAv

Det 1

Det 2

Det n

Multiplexage Pour multiplexer les signaux il faut au préalable les avoir

amplifiés, filtrés puis échantillonnés et bloqués (EB) pendant une période à l’intérieure de laquelle les échantillons sont placés

successivement.

39

Multiplexage dans le plan focal

Pour effectuer les fonctions nécessaires au multiplexage dans le plan focal il faut que le signal à multiplexer soit intégré pendant le temps de pose T . Le détecteur de flux associé à cet élément intégrateur devient un détecteur d’imagerie.

Un intégrateur remplit les fonction d’amplification, de filtrage passe bas et de blocage, le signal échantillonné est :

S(t) est le signal délivré par le détecteur, un courant ou une tension.

N

N

t

Tt

N dt)t(S)t(Q

40

Détecteur d’imagerie: FPA et ROIC• On appellera une barrette ou une matrice de

détecteurs d’imagerie FPA ( Focal Plane Array)• Le circuit électronique qui permet, dans le plan

focal, d’effectuer l’intégration et le multiplexage des signaux issus des détecteurs de flux s’appelle ROIC (Read Out Integrated Circuit)

• Dans le visible, les détecteurs et le ROIC sont en silicium, on peut combiner les deux sur la même puce.

• En IR, les matériaux détecteurs sont différents du silicium et il n’est généralement pas possible de combiner les deux sur la même puce. Il devient nécessaire d’hybrider deux puces.

41

Spécifications du ROIC et performances système

Performance du ROIC Influence système Commentaires

Bruit en Nbre de Charges Sensibilité Minimun pour S/B

Puissance dissipée Temps de mise en froid,

poids, durée de vie

Par l’intermédiaire des spécif. du cryogénérateur

Dynamique Signal max. à saturation Perte de signal

Diaphonie FTM du système Entre éléments

Réponse en fréquence FTM du système Rémanence

Impédance d’entrèe Linéarité , bruit Changement de point de fonctionnement

Reproductibilité de la linéarité

Calibration Bruit spatial fixe

Gain Sensibilité Au dessus du plancher de bruit du système

Impédance de sortie Sensibilité , MTF EMC, diaphonie

42

Principe des circuits ROIC

• Circuit d’entrée détecteur quantique• Organisation d ’un TDI CCD• Circuit d’entrée détecteur bolométrique• Organisation des matrices (snap shot et rolling)• Temps d’intégration et limites actuelles• Comment augmenter le temps d’intégration?

• Conséquences

43

Technologies des FPA• Problématique :

– Détection et traitement sont séparés (matrice de détection et ROIC silicium)

– Hybridation (connecter chaque pixel IR à une cellule d’entrée du ROIC)

– Fonctionnement à basse température

• Conséquences :Éclairement face arrière

Dilation différentielle

44

CAMERAS THERMIQUES

45

Applications de l’imagerie thermique

COMMUNAUTÉ APPLICATIONS

Militaire Reconnaissance, navigation, pilotage de nuit, acquisition de cibles, tir

Commercial

Civil Police, pompier, garde frontière

Environnement Mesure de pollution, ressources naturelles, réduction d’énergie

Industrie Maintenance, contrôle de processus de fabrication, tests

non destructifs

Médical Thermographie,

46

Spécifications de besoinsDOMAINE DE CONCEPTION

MILITAIRE COMMERCIAL

Stabilisation de visée

Nécessaire En général inutile

Traitement d’image Spécifique de l’application (Détection, reconnaissance

automatique de cibles)

Options commandées par un menu

Résolution Résolution de cible à longue distance ou détail dans un

grand champ de vue

La distance permet de s’adapter

Temps de traitement

Temps réel Temps réel, pas toujours nécessaire

Signature de la cible et sensibilité

A la limite de la perception, faible NETD

En général le contraste est suffisant, NETD pas dominant

47

Contenu de la scène: - Caractéristiques de la cible - Caractéristiques du fond

- Mouvements - Textures

Expérience de l'observateur: - Entraînement

- Fatigue - Charge de travail

Performances du système: - Résolution - Sensibilité

- Bruit - Fonction de transfert

Qualité d'image

Divers: - Illumination ambiante - Bruit - Vibrations

Visualisation: - Luminance - Contraste - Distance de l'observateur

Transmission atmosphérique: - Brume - Brouillard - Pluie - Poussières

Modélisation des systèmes

48

Systèmes d’imagerie IR

Matrice fixe : 3ème A balayage : 1 ère et 2 ème

génération génération

49

Fonctionnement d’une camera thermique

• Focalisation dans le plan du ou des détecteurs de l’image de la scène par une optique IR

• Analyse du champ total par balayage un ou deux axes du champ élémentaire vu par le (ou les) détecteurs

• Ou échantillonnage par les éléments d’une matrice de détecteurs

Une caméra se caractérise par:

– Son domaine spectral (3-5 µm ou 8-12 µm)

– La configuration des détecteurs

– Le principe de balayage

Et en termes de performances par :

– L’écart de température équivalent au bruit ou NETD

– La résolution spatiale et son évolution avec la fréquence spatiale (MRTD)

50

Visualisation de la scène par une caméra thermique

Une caméra thermique visualise les objets grâce à :

– Leur contraste thermique par rapport au fond (bande 8-12 µm)

– La combinaison entre leur contraste thermique et la réflexion solaire (de jour) en bande 3-5 µm

Conséquences:

• Les images « 8-12 µm » de jour et de nuit sont très semblables

• Les images « 3-5 µm » de jour sont sensibles à la présence du soleil

51

Luminances du CN intégrées dans les différentes bandes

52

Variations de luminances avec T intégrées dans les différentes bandes

53

Équation du flux incident sur le détecteur (Source étendue)

Le flux reçu par le détecteur s’exprime à partir de la luminance spectrale du corps noir L(T) de la surface élémentaire découpée sur la cible par le cône de résolution du détecteur d’angle solide r et de l’angle solide sous lequel l’optique collectrice est vue depuis la source:

= a o L rR2 Do2/4R2 = a o L AdDo

2/4F2

a et o sont respectivement la transmission de l’atmosphère sur la distance R

et de l’optique

54

Systèmes à balayage

Le temps de passage d’une cible ponctuelle dans l’angle solide de vue d’un élément détecteur, appelé « dwell time » est une caractéristique des systèmes à balayage

= / Vb Vb est la vitesse de balayage en mrd/s et = a/F la résolution

angulaire du détecteur en mrd.La forme du signal analogique en tenant compte de la dimension de

la tache optique au cours du balayage est une impulsion de largeur à mi hauteur égale à .

55

Différentes configurations de balayage

56

Efficacité de balayage

L’efficacité de balayage est définie comme le rapport entre la durée de la partie utile du balayage et la période totale on parle :– D’efficacité de balayage ligne– D’efficacité de balayage trame– D’efficacité de balayage totale (produit des 2)

période totaleTemps

57

Compatibilité entre balayage IR et visualisation

• Visualisation par DEL : même balayage mécanique

• Visualisation par monitor TV:– Balayages IR ou du

monitor adaptés

– Reprise visu DEL par caméra TV (E-O Mux)

– Mémoire d’image

58

Générations de Systèmes d’imagerie IR 1/2

1ère Génération

• Petit nombre de détecteurs <150• Balayage série ou série /parallèle

avec ou sans TDI• Pré-amplificateurs analogiques• Traitement du signal analogique• Bande 8-12 microns• Optiques ouvertes F# <2• Machines cryogéniques

puissantes >1 W• Visualisation par LED (E/O

MUX) ou écran avec conversion de standard

2 ème Génération

• Barrettes avec ou sans TDI avec un à quelques milliers d’éléments

• Multiplexage dans le plan focal. ROIC à base de CCD

• Balayage parallèle avec entralacement

• Bande 8-12 microns• Optiques plus fermées F# <3• Machines cryogéniques moins

puissantes• Traitements numériques• Visualisation sur écran

59

Imagerie IR à visu par LED(E-O MUX)

60

Imagerie IR à multiplexage électronique

61

Principe du « TDI »

TDI : Time delay integration ou accumulation avec retard• Analyse successive du même élément de la scène par les N

détecteurs d’une ligne• Recalage des signaux à l’aide de lignes à retard• Addition des signaux en provenance des N détecteurs

Det Det DetDet

PA PA PA PA

Retard

Retard 2

Retard 3

AdditionN entrées

Balayage

N détecteurs

62

Avantages du TDI• Rapport signal à bruit amélioré d’un facteur (pour N <8) • Les détecteurs équivalents lorsqu’il y a plusieurs lignes de TDI

sont plus homogènes entre eux en termes de réponse et de détectivité

• La présence d’un détecteur « mort » dans une ligne n’entraine pas de ligne noire dans l’image

• Bien que les sensibilités théoriques avec N détecteurs TDI et un balayage série ou N éléments sans TDI et un balayage parallèle soient les mêmes, en présence de bruit en 1/f la solution TDI est la meilleure

Le TDI fût utilisé de façon avantageuse dans la première génération avec les détecteurs photoconducteurs (PC) puis avec le SPRITE ( Signal Processing in The Element).

La deuxième génération a profité de la technologie CCD pour intégrer facilement le TDI dans le ROIC.

N

63

Échantillonnage et détecteurs IRDans le plan focal du système optique, l’image de la scène est

échantillonnée spatialement dans une ou deux directions, selon le mode de balayage utilisé et la nature discrète des éléments détecteurs.

Dans un système à balayage, le signal de chaque détecteur est échantillonné électroniquement en relation avec la vitesse de balayage. L’échantillonnage spatial et l’échantillonnage temporel sont dépendant l’un de l’autre dans la direction du balayage.

Dans un système matriciel, le temps de pose et la cadence de lecture seront les deux paramètres définissant l’échantillonnage temporel.

64

Calibration: pourquoi? comment? Limites

• Pourquoi calibrer les détecteurs?• Comment effectuer la calibration?

– Calibration un point

– Calibration deux points

– Calibration multipoints

• Précautions à prendre• Bruit spatial fixe résiduel• Causes de dérive et limitations

65

Calibration: Pourquoi calibrer les détecteurs?

La réponse et le niveau continu de chaque élément

détecteur sont différents,le signal s’écrit :

Sij = Rij *ij + Oij

– Rij est la réponse de l’élément ij

ij est le flux incident sur l’élément ij

– Oij est le niveau continu de l’élément ij

Seul ij est variable avec le temps si l’image bouge, Rij

et Oij sont les deux paramètres du bruit spatial fixe

66

Calibration: Comment effectuer la calibration?

• Calibration un point : Les détecteurs regardent un fond uniforme à une seule température T1, les niveaux continus

sont corrigés mais il faut avoir une table de gains mesuré en usine

• Calibration deux points : Les détecteurs regardent successivement des fonds uniformes à deux températures T1 et T2. Les réponses Sij1 et Sij2 servent de référence pour

la calibration

• Calibration multipoints : On utilise plus de deux températures pour les fonds de référence.

67

Calibration deux points

Sur les fonds de référence les signaux sont :

Sij1 = Rij *ij(T1) + Oij

Sij2 = Rij *ij(T2) + Oij

Le signal corrigé s’écrit :

Sijc = Aij*Sij + Bij

Aij et Bij sont respectivement les éléments de la matrice de gain et de la matrice d’offset. Ils sont déterminés à partir des signaux Sij1 et Sij2 et de leur valeurs moyennes spatiales < Sij1> et < Sij2> d’où finalement :

12

122112

SijSij

Sij*SijSij*SijSij*)SijSij(Sijc

68

Calibration:Précautions à prendre

Le bruit du signal corrigé est augmenté du bruit des signaux servant au calcul et de l’imprécision des calculs, deux précautions sont à prendre:– Le bruit des signaux de référence doit être plus faible

que celui de la mesure, on moyennera plusieurs trames prises sur les fonds de référence

– La précision de calcul sera choisie telle que la troncature soit inférieure au LSB du signal mesuré.

En pratique on prend au moins 64 trames et on effectue les calculs sur 16 bits

69

Calibration: Bruit spatial fixe résiduel

70

Calibration : Causes de dérive et limitations

• Modification de l’offset par :– La température du plan froid, le courant

d’obscurité du détecteur varie avec la température

– La variation des flux parasites par la température de la caméra et de son optique

– Les dérives de la polarisation fournie par les circuits électroniques de commande

• Modification du gain par :– L’éclairement (non linéarité du détecteur et des

circuits de lecture)

71

Temps de pose limite

Bande spectrale

µm

Flux de photons

Phot/s/cm²/sr Tfond = 300K

Courant photonique n=1 et Ad = 10-5 cm²

F# =2

T pose max en ms pour 15 Me

en ms

3,5 à 4,5 1,62E+15 4,72E-10 5,0843,5 à 5 4,07E+15 1,19E-09 2,022

3,5 à 5,5 8,34E+15 2,43E-09 0,986

8,5 à 10 6,9E+16 2,01E-08 0,1208,5 à 10,5 9,4E+16 2,75E-08 0,087

9 à 10 4,7E+16 1,38E-08 0,1739 à 10,5 7,3E+16 2,13E-08 0,113 9 à 11 9,9E+16 2,89E-08 0,083

• La technologie des ROIC limite les temps de pose par l’intermédiaire de la dynamique des circuits analogiques (au

maximum 80dB) et de la quantité de charges que l’on peut stocker environ 30 millions de charges pour une cellule au pas de 30 µm.(On prend la moitié pour le fond ambiant)

• Seule la conversion A/N au niveau de chaque pixel permettra de dépasser ces limites

• Le temps de pose est déterminé en fonction des flux, donc des gammes de longueur d’onde, de la largeur spectrale, de l’angle de vue et du rendement quantique.

17

)2F(T)F41()F(T #

2#

#

Variation de T avec F# et

72

Mosaïques IR disponibles commercialement

Bande spectrale

Type de Mosaïque

Dimensions Mosaïque

Taille du pixel

Bruit en e rms par

pixel

Non uniformité

%

Température de fonctionnement

K

Visible

Silicium

CCD

Monolithique

488 x 640

4000 x 4000

7 à 30 µm

1 à 5

< 1

300

SWIR InGaAs Hyb 640 x 480

15 à 25 µm 20 à 100 2 250 à 300

MVIR

InSb Hybride

CdHgTe Hybr.

Pt: Si Hybr.

640 x 480

320 x 240

1024 x1024

20 à 30 µm

30 µm

15 à 25 µm

100 à 1000

100 à 1000

20 à 100

4

5

2

80 à 95

80 à 120

60

LWIR

CdHgTe Hybr.

QWIP Hybr.

Bolomètres ou Pyroélectriques

320 x 240

640 x 480

240 x 320

30 à 50 µm

30 µm

35 µm

300 à 3000

100 à 1000

30 000

10

5

20 à 30

80 à 100

60 à 65

300

73

Éclairement équivalent au bruit : NEI (1)

• Définition : C’est la différence d’éclairement produit par deux sources étendues qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un.

• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de l’équipement

• Moyen de mesure : Électrique

74

Éclairement équivalent au bruit : NEI (2)

• Expression :• Détecteur :

– Surface sensible : Ad

– Détectivité dans la bande spectrale ; D*

• Optique :– Transmission : opt

– Surface de la pupille : Aopt

• Exploitation du signal :– Bande passante équivalente de bruit f

*

d

optopt picD

Af

S

1NEI

75

Éclairement équivalent au bruit : NEI (3)

• Éclairement de la pupille : E• Puissance reçue par le

détecteur :

• S/B = P/NEP

• Rapport S/B=1, la puissance reçue par le détecteur est NEP et l’éclairement de la pupille est NEI d’où:

optoptESP

*

d

optoptoptopt picD

fA

S

1

S

NEPNEI

76

Différence de température équivalente au bruit : NETD (1)

• Définition : C’est la différence de température de deux corps noirs étendus qui donnent un rapport signal sur bruit « vidéo » égal à un.

• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est àdire que les sources sont au niveau de la pupille. Le bruit est le bruit RMS mesuré dans la bande passante utile de l’équipement

• Moyen de mesure : Électrique et corps noir différentiel

77

Différence de température équivalente au bruit : NETD (2)

• Expression :

• Détecteur : – Surface sensible : Ad

– Détectivité dans la bande spectrale D*() . Si TDI, multiplier par N1/2

• Optique :– Transmission : opt

– Nombre d’ouverture : F#

• Exploitation du signal :– Bande passante équivalente de bruit f

d

T

)T,(L)(*DA

fF4NETD

dopt

2#

78

Différence de température équivalente au bruit : NETD (4)

• L’élément de la cible S à la température Tb +T présente un

écart de luminance par rapport au fond

• L’optique reçoit une différence de flux

TT

LL

TF

AS

T

LT

R

SS

T

LS

R

SLF

2d

opt2opt2

opt

79

Différence de température équivalente au bruit : NETD (5)

• Le flux reçu par le détecteur à chaque longueur d’onde pour une bande spectrale élémentaire d est :

• Le signal du détecteur s’exprime sous la forme :

• La puissance équivalente au bruit s’exprime par

• Lorsque S=NEP, Tb = NETD d’où:

• On remplace ensuite et

pour obtenir NETD.

dTF

AS

T

)T,(L)F(d b2

dopt

boptd

2

1

2

1

dT

)T,(L)(rT

F

AS)F(d)(rS b

b2d

optoptd

*

d

picD

fANEP

*

db2d

optopt

pic

2

1D

fAd

T

)T,(L)(rNETD

F

AS

2#

2

2opt

2

opt

F4F4

D

F

S

)(D)(rD **

pic

80

Différence de température équivalente au bruit : NETD (6)

Expression limite pour une caméra à matrice fixe

de détecteurs quantiques :

• Nmax : Quantité de charge maximale stockable

dans la capacité du ROIC

• CT : Contraste thermique dans la bande

spectrale considérée

maxTmin N

2

C

1NETD

81

Contrastes

,TL

T,TL

CB

B

B

2

1

2

1

2

1

d)T,(L

d)T,(Ld)T,(L

L

LL

B

B

B

BT

82

Différence de température perçue équivalente au bruit : NETP

• Définition : C’est la différence de température de deux corps noirs étendus que l’œil peut discerner sur l’écran de visualisation.

• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est à dire que les sources sont au niveau de la pupille.Tient compte de l’intégration de l’œil

• Moyen de mesure : Opérateur sur visu et corps noir différentiel

• Expression :

– Ti: temps d’intégration de l’œil i : Fréquence image– Sp(0) : Seuil de S/B– r : taux de recouvrement entre lignes

)0(SrT

NETNETP p

ii

83

Différence de température minimale résolvable : MRTD() (1)

• Définition : C’est la plus petite différence de température entre les barres d’une mire à la fréquence spatiale que l’œil peut discerner sur l’écran de visualisation de la caméra.

• Remarque : On suppose qu’il n’y a pas d’influence de la transmission atmosphérique, c’est à dire que les sources sont au niveau de la pupille.Tient compte de l’intégration spatiale et temporelle de l’œil

• Moyens de mesure : – Opérateur sur visu– Mire de température

84

Différence de température minimale résolvable : MRTD() (2)

• Expression :

– Ti: temps d’intégration de l’œil

i : Fréquence image

– Sp() : Seuil de S/B tel que l’observateur ait une probabilité de 50% de reconnaître la mire à la fréquence spatiale

– r : taux de recouvrement entre lignes

– MTF() est la fonction de transfert de modulation

de tout l’équipement, visualisation comprise

)(MTF

)(S

rT

NETD)(MRT p

ii

85

Critères pour déterminer les performances (Johnson)

Cible

Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour:

Détecter à 50% Reconnaître à 50 % Identifier à 50 %

Camion 0,9 4,5 8,0

Char 0,75 3,5 7,0

Chenillette 1 4,0 5,0

Jeep 1,2 4,5 5,5

Command car 1,2 4,3 5,5

Soldat 1,5 3,8 8

Canon de 105 1 4,8 6

Moyenne 1,0 0,25 4,0 0,8 6,4 1,5

86

Méthodes graphiques

1. A partir de l’écart de température par rapport au fond T0 et de l’atténuation atmosphérique (en Km-1) on détermine la courbe de température apparente T en fonction de la distance D (en km) par la formule :

2. On prend la plus petite dimension angulaire de la cible à la distance D pour graduer la courbe précédente en fréquences spatiales à partir du nombre de cycles nécessaires (voir critères de Johnson)

3. On prend l’intersection de cette courbe avec la courbe de MRTD pour déterminer la fréquence spatiale et la distance pour lesquels l’écart de température apparente est égale à l’écart de température de seuil

)Dexp(TT 0

87

Variation de l’écart de température apparent

88

Caractérisation d’une caméra thermique

89

Détermination de la portée

90

Bibliographie

The Infrared Electro-Optical Systems Handbook :– Vol 3 : William D. Rogatto Electro-Optical components

ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press

– Vol 4: Michael C. Dudzik Electro-Optical Systems

Design, Analysis, and Testing ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press

– Vol 5:Stephen B.Campana Passive Electro-Optical Systems ISBN 0-8194-1072-1 SPIE Press

Testing and Evaluation of Infrared Imaging Systems : Gerard C. Holst

JCD Publishing Electro-Optical Imaging System Performance :Gerard C. Holst JCD

Publishing

La Thermographie Infrarouge : G. Gaussorgues Lavoisier Technique et Documentation