Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ẢNH NHIỆT VÀ VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO ẢNH CỦA HỆ THỐNG QUANG HỌC LÀM VIỆC TRONG VÙNG PHỔ HỒNG NGOẠI Chương này trình bày một số vấn đề chung về TBAN; các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh của hệ thống quang học ảnh nhiệt; nguyên lý hoạt động và các yêu cầu đối với các thành phần của hệ thống đánh giá chất lượng ảnh của một hệ thống quang học ảnh nhiệt; ảnh hưởng của cơ cấu gá lắp đến chất lượng hoạt động của hệ thống. Tổng quan về thiết bị ảnh nhiệt 1. Quá trình phát triển Hệ thống ảnh nhiệt là thiết bị dùng để quan sát vật theo khả năng bức xạ riêng của vật và sự khác biệt về khả năng bức xạ riêng giữa chúng. Nguyên lý hoạt động của TBAN được xây dựng trên cơ sở biến đổi bức xạ nhiệt trong không gian vật không nhìn thấy bằng mắt thường thành tín hiệu điện, sau đó tái tạo trên màn hình để quan sát.
Vào những năm 50, TBAN đầu tiên sử dụng phương pháp quét cơ khí chỉ có một phần tử (đầu thu một phần tử nhạy cảm) và ảnh được ghi bằng phim ảnh đã được chế tạo và thường được gọi là camera ảnh nhiệt. Giai đoạn 1956- 1960 được sự hỗ trợ và đặt hàng của quân đội Mỹ bắt đầu thời kỳ phát triển rất mạnh của camera ảnh nhiệt. Thời gian này do chưa chế tạo được đầu thu có độ nhạy cao và hằng số thời gian nhỏ (thời gian đáp ứng) nên chưa chế tạo được camera nhiệt quét nhanh và chưa thu được ảnh theo thời gian thực. Nhờ thành công trong việc chế tạo được quang trở có hằng số thời gian nhỏ Indi- Antimoan (InSb) và Giécmanni-Thủy ngân (Ge-Hg) nên sau đó đã tích hợp hệ ảnh nhiệt có khả năng quét nhanh và thu ảnh theo thời gian thực.
Cho tới nay các TBAN đã trải qua ba thế hệ phát triển: 8 Thế hệ I là thế hệ khi mà bộ phận thu chỉ có một số phần tử thu (sensor) ghép với nhau thành dãy. Để tạo thành ảnh phải dùng các hệ quét cơ khá phức tạp. Các TBAN chỉ thực sự được phát triển mạnh từ cuối những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỉ XX dựa trên những tiến bộ mới của công nghệ điện tử, bán dẫn. Công nghệ này chứa một số phần tử thu nhất định và kĩ thuật quét ảnh cơ khí làm cho TBAN còn khá phức tạp, kích thước lớn và giá thành cao.
Vào những năm cuối thập niên 70 người ta bắt đầu nghiên cứu công nghệ chế tạo ma trận thu cỡ nhỏ kết hợp với công nghệ xử lý tín hiệu ngay trên phần tử thu SPRITE (Signal Procesing In The Element) và mạch tích điện tích CDD (Charge-Coupled Device) nên đã tạo được thế hệ ảnh nhiệt có chất lượng cao hơn và bộ quét cơ quang cũng đơn giản hơn. Để giảm chi phí và đáp ứng từng mục đích sử dụng, xu hướng phổ biến lúc đó là chế tạo các TBAN trên cơ sở các môđun tiêu chuẩn chung. Đó là các khối chế tạo sẵn dùng để lắp lẫn cho nhiều chủng loại thành các hệ thống theo các kỹ thuật khác nhau. Giai đoạn này là thời kì của TBAN thế hệ II.
Sang thế hệ II các máy thu có số phần tử nhiều hơn, tới hàng ngàn phần tử, nên phần quét cơ quang vẫn cần thiết nhưng đã đơn giản hơn rất nhiều. Giải pháp công nghệ mấu chốt được áp dụng ở đây là sử dụng các đầu thu (detector) kết hợp với bộ đọc và xử lý tín hiệu trên bán dẫn không cần dây dẫn. TBAN thế hệ II đã có nhiều tính năng được nâng cao nên chất lượng ảnh, tầm hoạt động, kích thước và trọng lượng máy đã được cải tiến đáng kể. Tuy nhiên các máy thu thế hệ II có số lượng các phần tử thu chưa đủ để loại bỏ hệ thống quét cơ.
Khoảng cuối những năm 80 nhờ những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ bán dẫn, người ta đã chế tạo những ma trận có kích thước lớn, do đó có thể loại bỏ được hoàn toàn nhu cầu quét cơ khí, nhờ đó kích thước thiết bị được thu nhỏ, trọng lượng giảm nhiều và chất lượng ảnh cũng được cải thiện hơn… Thời kỳ này đánh dấu sự ra đời của thế hệ thứ III của TBAN. 9 Thế hệ thứ III là thế hệ ảnh nhiệt không phải dùng đến hệ quét cơ quang, bộ phận thu là ma trận kiểu mạng phẳng hội tụ có đến hàng vạn phần tử thu (pixel) với nhiều cấu hình khác nhau: 128x128, 256x256, 320x240… Các chuyên gia tính rằng phải có số phần tử lớn như vậy thì mới tạo được ảnh chất lượng. Cái khó ở đây là phải đạt được sự đồng đều về độ nhạy cho tất cả các phần tử thu. Trong thế hệ đầu thu này các phần tử thu và các đầu đọc, xử lý tín hiệu được chế tạo liền khối bằng kĩ thuật CCD, công nghệ này cho phép xử lý một số lượng lớn thông tin trong thời gian thực và đạt sự đồng đều độ nhạy cho tất cả các đầu thu.
Tuy nhiên, do áp dụng công nghệ đặc biệt nên việc chế tạo rất tốn kém. Các nghiên cứu ngoài việc hoàn thiện các tính năng cho thiết bị còn đi theo hướng giảm chi phí hạ giá thành sản phẩm. TBAN thế hệ III cho mục đích quân sự thường bị kiểm soát chặt chẽ với các chính sách cấm xuất khẩu ngặt nghèo sang các nước khác. Hiện nay, các hệ thống TBAN phục vụ mục đích trinh sát ngày càng được hoàn thiện, rất hiện đại và tính đa năng cao.
Độ truyền qua của khí quyển theo bước sóng ở vùng hồng ngoại Hiện nay, trên thế giới người ta tập trung nghiên cứu và phát triển TBAN hoạt động chủ yếu ở vùng hồng ngoại sóng trung (3-5μm) và hồng ngoại sóng dài (8-14μm) do đây chính là hai “cửa sổ quang” của bầu khí quyển (Hình 1. 10 Tùy theo đặc điểm của mục tiêu cần quan sát như nhiệt độ của mục tiêu, điều kiện quan sát, cự ly mục tiêu mà người ta nghiên cứu thiết kế TBAN làm việc ở vùng bước sóng nào. Nguyên lý hoạt động của thiết bị ảnh nhiệt Tương tự như camera thông thường, về nguyên lý làm việc và cấu tạo chung, một TBAN cơ bản gồm hai thành phần chính là đầu thu ảnh nhiệt (còn gọi là core ảnh nhiệt) và ống kính tạo ảnh, cho phép thu nhận bức xạ nhiệt do mục tiêu phát ra và dựng lại phân bố nhiệt độ thành hình ảnh (ảnh nhiệt) mà mắt người có thể nhìn được [3, 4]. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị ảnh nhiệt Hoạt động của TBAN có thể được mô tả sơ lược thông qua sơ đồ nguyên lý trên hình 1.
Thành phần quang học của hệ là một vật kính có tác dụng tạo ảnh của mục tiêu cần quan sát lên mặt nhạy sáng của cảm biến ảnh nhiệt. Cảm biến ảnh, gồm nhiều các phần tử thu ảnh được sắp xếp theo dạng ma trận, sẽ biến đổi ảnh quang học thành các tín hiệu điện tử, khối xử lý video là một mạch điện chuyên dụng, thực hiện các thuật toán chỉnh sửa để loại bỏ các lỗi của cảm biến sao cho tại đầu ra sẽ nhận được ảnh điện tử của mục tiêu với chất lượng tốt nhất, ảnh này sẽ được tái tạo lại thành ảnh quang học trên màn hình hiển thị để mắt người có thể quan sát. Thông thường cảm biến ảnh và mạch xử lý video sẽ được đóng gói với nhau tạo thành đầu thu ảnh nhiệt hoàn chỉnh (core ảnh nhiệt), hình ảnh cung cấp từ đầu ra của core ảnh nhiệt là tín hiệu video theo các chuẩn kết nối thông thường như AV, camera link, IP. 11 Từ nguyên lý cấu tạo và hoạt động như trên, có thể thấy rằng để tạo ra TBAN cần phải có 2 thành phần chính là core ảnh nhiệt và ống kính quang học.
Trong đó, core ảnh nhiệt là thành phần rất quan trọng, được các hãng sản xuất chế tạo dưới dạng mô-đun. Core ảnh nhiệt thực sự là một sản phẩm công nghệ cao, hiện nay chỉ có một số ít các nước tiên tiến chế tạo được (Mỹ, Pháp,…). Vì vậy, để chế tạo TBAN chúng ta phải nhập khẩu thành phần này. Có 2 chủng loại đầu thu ảnh nhiệt là loại có làm lạnh và không làm lạnh.
Đầu thu làm lạnh có giá thành cao, nhưng có độ nhạy cao hơn nên không cần hệ quang có khẩu độ lớn như đối với đầu thu không làm lạnh, đồng thời độ nhạy nhiệt cũng tốt hơn (25 mK so với 50 mK), điều này cho phép tạo ra thiết bị có tầm quan sát xa với hình ảnh mục tiêu rõ nét hơn. Đến vật kính của TBAN, đây cũng là thành phần rất quan trọng của hệ thống, có chức năng hội tụ chùm tia bức xạ tới từ vật lên đầu thu, đảm bảo năng lượng bức xạ đó tập trung đủ lớn có thể gây ra phản ứng của đầu thu để tạo tín hiệu đầu có chất lượng tốt nhất. Chất lượng tạo ảnh của vật kính sẽ ảnh hưởng rất lớn đến các tiêu chí đặc trưng cho chất lượng của TBAN như: hiệu nhiệt độ tương đương nhiễu, hiệu nhiệt độ phân giải nhỏ nhất. Với mục tiêu xây dựng giải pháp và mô hình thiết bị đánh giá chất lượng ảnh HTQH ảnh nhiệt, trước hết luận án phải nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh của HTQH ảnh nhiệt hiện nay và một số thiết bị thương mại hiện có trên thị trường, từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp để thực hiện các bước thiết kế, chế tạo tiếp theo.
Các phương pháp đánh giá chất lượng ảnh của HTQH ảnh nhiệt. Sử dụng quan điểm sóng để xét vấn đề tạo ảnh của một HTQH [5]. Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, sóng ánh sáng phát ra từ một điểm được lan truyền đến HTQH dưới dạng mặt sóng cầu. Nhiệm vụ của HTQH là biến đổi mặt sóng cầu trong không gian vật thành mặt sóng cầu trong không gian 12 ảnh.
Nếu mặt sóng ra khỏi HTQH là mặt sóng cầu thì ảnh của một điểm trong không gian vật sẽ là một điểm. Tuy nhiên, HTQH không làm được nhiệm vụ đó một cách hoàn hảo, nó chỉ tạo ra được mặt sóng gần với mặt sóng cầu, tức là khi đó mặt sóng ra khỏi HTQH không còn là mặt cầu nữa mà nó bị biến dạng. Tại đồng tử ra của HTQH người ta tạo một mặt sóng lý tưởng để xác định sự sai khác với mặt sóng đó. Và độ biến dạng này người ta gọi là sai sóng (Hình 1.