Rappels sur l

1
Rappels sur lInfrarouge

2
Comparaison entre images visible et infrarouge
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
Conséquences

• Dans les systèmes
• Fonctionnement journuit 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
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
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 c2 ?-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
Emittance du CN dans une bande
Emittance spectrale
?2
?
dR(?,T) d ? d ?
?1
Longueur donde
?1
?2
8
Tableau de valeurs
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
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
  quà lénergie 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 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
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
• 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
• ? ltNchargesgt/ltNphotonsgt (?lt1)

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 lexpression
• (en W-1.cm.Hz 1/2)

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
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 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
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
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
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
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
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 (?lt12µm)
• Applications spatiales à faible flux de fond

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
Angle de vue de fond ambiant (2)
26
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 dune tension
• Thermo-pneumatique, effet mécanique dû à la
  dilatation dun gaz

• 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

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 Fr(?)
  de largeur spectrale d? est
• q est la charge de lélectron, hc/ ? lénergie
  des photons

28
Réponse dune 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.),

29
Réponse spectrale dune photodiode (3)
r(?)
1
0,5
?
0
?pic
?cut on
?cut off
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
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
Réponse polychromatique dune 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

33
Flux de fond ambiant incident sur un détecteur et
courant (1)

• Le flux de fond incident Fbg sexprime en
  fonction de la luminance du fond L(Tbg,?1,?2), de
  l angle solide de vue ?v et de la surface Ad
• Doù le courant de fond I (Tbg) RI(Tbg)
  .L(Tbg,?1,?2), daprès les relations précédentes

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 donde par le
  coefficient dabsorption du matériau et la
  recombinaison en surface
• ? gt ?c, pas dabsorption, ?(?) 0
• ? lt ?c, absorption totale, ?(?) lt1 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
Caractéristiques des détecteurs IR, Détectivité
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
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.
EB
Filtre
Av
Det 1
Det 2
EB
Filtre
Av
Signal Vidéo
Mux
EB
Filtre
Av
Det i
EB
Filtre
Av
Det n
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
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
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 lintermédiaire 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 dentrèe 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 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
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
CAMERAS THERMIQUES

45
Applications de limagerie thermique
COMMUNAUTÉ APPLICATIONS APPLICATIONS
Militaire Reconnaissance, navigation, pilotage de nuit, acquisition de cibles, tir Reconnaissance, navigation, pilotage de nuit, acquisition de cibles, tir
Commercial Civil Police, pompier, garde frontière
Commercial Environnement Mesure de pollution, ressources naturelles, réduction dénergie
Commercial Industrie Maintenance, contrôle de processus de fabrication, tests non destructifs
Commercial Médical Thermographie,
46
Spécifications de besoins
DOMAINE DE CONCEPTION MILITAIRE COMMERCIAL
Stabilisation de visée Nécessaire En général inutile
Traitement dimage Spécifique de lapplication (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 sadapter
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
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
48
Systèmes dimagerie IR

• Matrice fixe 3ème A balayage 1 ère et 2
  ème
• génération génération

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
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 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? ?rR2 ?Do2/4R2 ?a ?o L?
  Ad?Do2/4F2
• ?a et ?o sont respectivement la transmission de
  latmosphère sur la distance R et de loptique

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
• ? ? / 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
Temps
période totale

• 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)

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
Générations de Systèmes dimagerie IR 1/2

• 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 lt3
• Machines cryogéniques moins puissantes
• Traitements numériques
• Visualisation sur écran

• 1ère Génération
• Petit nombre de détecteurs lt150
• Balayage série ou série /parallèle avec ou sans
  TDI
• Pré-amplificateurs analogiques
• Traitement du signal analogique
• Bande 8-12 microns
• Optiques ouvertes F lt2
• Machines cryogéniques puissantes gt1 W
• Visualisation par LED (E/O MUX) ou écran avec
  conversion de standard

59
Imagerie IR à visu par LED(E-O MUX)
60
Imagerie IR à multiplexage électronique
61
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 dune ligne
• Recalage des signaux à laide de lignes à retard
• Addition des signaux en provenance des N
  détecteurs

62
Avantages du TDI

• Rapport signal à bruit amélioré dun
  facteur (pour N lt8)
• 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
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
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 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
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 sécrit
• Sijc AijSij 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 Sij1 et Sij2
  et de leur valeurs moyennes spatiales lt Sij1gt et
  lt Sij2gt doù finalement

68
CalibrationPrécautions 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
Calibration Bruit spatial fixe résiduel
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
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
Mosaïques IR disponibles commercialement
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
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

75
Éclairement équivalent au bruit NEI (3)

• Éclairement de la pupille E
• Puissance reçue par le détecteur
• S/B P/NEP
• Rapport S/B1, la puissance reçue par le
  détecteur est NEP et léclairement de la pupille
  est NEI doù

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
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 douverture F
• Exploitation du signal
• Bande passante équivalente de bruit ?f

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
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 SNEP, ?Tb NETD doù
• On remplace ensuite et
• pour obtenir NETD.

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
• C?T Contraste thermique dans la bande spectrale
  considérée

81
Contrastes
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
• Ti temps dintégration de lœil
• ?i Fréquence image
• Sp(0) Seuil de S/B
• r taux de recouvrement entre lignes

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

• Expression
• Ti temps dintégration de lœil
• ?i Fréquence image
• Sp(?) 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
Critères pour déterminer les performances
(Johnson)
Cible Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour Nombre de cycles dans la plus petite dimension pour
Cible 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 lécart de température par rapport au
   fond ?T0 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
Variation de lécart de température apparent
88
Caractérisation dune 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 5Stephen 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