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문제 정의
- 최적 조절을 위해서는 기본적으로 농도분포 변환이 필요하며 일반적인 가시광 영상처리에 쓰는 히스토그램 평활화법은 표적의 농도분포 크기가 작은 열영상 표적에는 적합하지 않다. 따라서본 연구에서는 농도분포 비교시 전체 히스토그램 크기를 모두 비교하지 않고, 영상에 따라 적절하게 레벨의 크기를 제한하는 농도분포 변환 기법을 개발하였다. 즉, 히스토그램 크기를 제한하여 큰 영역이 상대적으로 과도하게 펼쳐지는 것을 막는 방식으로 그림 6과 같은 알고리즘을 갖는다.
- 전환식 이 중 배율 적외선 망원경계와는 달리 적외선 줌 망원경계는 연속적인 배율 변화를 위하여 렌즈군들이 비선형적으로 이동하게 된다. 본 연구에서는 LUT에 의한 배율 변환 이동방식을 채택하여 이를 구현하였다. 냉각장치 구동부는 검출기를 -150 ℃(H0~130K) 정도로 냉각시키는 냉각장치를 저전력 고효율로 구동시키는 역할을 한다.
- 본 연구에서는 중적외선 파장대역의 320X240 FPA 검출기를 이용한 적외선 줌 열상센서를 개발하였다. 개발된 적외선 줌 열상센서는 단지 두 개의 렌즈군을 움직여 줌 비 20:1 의 줌 영상을 구현할 수 있으며 최저배율에서 시계는 40。X 30。까지 가능하다.
- 본 적외선 줌 광학계는 시스템의 분해능 향상을 위하여 미세 주사장치(micro scanner)를 개발하였다. 별도의 주사장치를 쓰지 않는 광학계의 공간적인 샘플링 및 분해능은 검출소자 자체의 크기 및 갯수에 의해 결정된다.
제안 방법
- 320X240 배열의 중적외선 대역 MCT 검출기를 이용하여 분해능이 대폭 향상된 새로운 개념의 3세대 열상장비를 국내에서 최초로 설계하고 제작하여 응용 가능성을 확인하였다. 비주사방식의 3세대 열상장비는 표적의 탐지능력이 비교적 우수하면서도 광학경로에 영상을 형성시키기 위한 기본 주사장치를 사용하지 않기 때문에 장비를 소형, 경량화할 수 있다.
- 3세대 열상센서를 설계하여 관련 업체와 협력, 제작하였다. 그림 7과 같이 제작된 열상센서는 5.
- 검출기에 들어오는 광경로를 미세하게 변화시키려면 검출기를 경로에 맞추어 미세하게 움직여 주면되지만 실제로 검출기 모듈을 화면률 주기로 움직이는 것은 현실적으로 곤란하므로 본 연구에서는 광경로 상에 있는 거울과 PZT 소자를 사용하여 구현하였다. 이 방법은 광경로 중간에 거울을 놓아 2X2 주사의 경우 화소 반개에 해당하는 각도만큼 상.
- 검출기의 갯수에 의해 제한되는 시스템의 분해능 향상을 위하여 PZT 소자와 거울을 이용한 미세 주사 기능을 도입하였다. 미세 주사장치를 적용한 시스템의 한계 분해능은 적용전의 최대 분해능인 4.
- 광학계의 줌 구동부는 이동 나사와 가이드 봉을 이용하여 비교적 선형적으로 렌즈가 큰 마찰없이 원활히 구동되도록 제작하였다. 구동을 위한 이동 나사의한 쪽 끝은 주 프레임앞면에 베어링으로 고정되며, 다른 끝은 스텝 모터에 바로 물리는 방식을 택하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 먼저, 입력 영상으로 부터 기본 히스토그램 함수를 구한 뒤, 전 영역에 걸쳐 히스토그램 크기를 P 값으로 적절히 제한한다. 그 다음 P값으로 가변된 히스토그램를 평활화시켜 모든 영역이 골고루 펼쳐지도록 하였다. 그림의 결과를 보면 농도분포 크기가 서로 다른 A, B 두 영역이 서로 비슷하게 펼쳐져 대조비가 효과적으로 개선됨을 알 수 있다.
- 변환시키는 역할을 한다. 기존 열상장비의 경우 검출된 영상신호는 주로 8비트 정보로 구분되어 저장되었지만 연구개발 장비에서는 14비트로 세분되도록 설계하였으며, 영상신호 성분을 분석하여 신호 성분이 많이 모여 있는 쪽에 대하여만 8비트로 최종 재현하는 알고리즘을 부가하여 영상 자체의 대조비 개선을 가져올 수 있도록 하였다. 디지털 주사 변환부에서는 14비트 주사영상신호의 일시저장과 아울러 검출기에서 부분적으로 다중화된 영상 신호들을 직렬신호로 바꾸어 준다.
- 본 연구에서는 이를 주변관측환경에 적응하여 준실시간 또는 실시간으로 각 채널간의 이득을 보정할 수 있도록 그림 5와 같은 개념의 온도 구간별 보정계수 테이블과 광학계 . 디포커싱을 이용한 MultiPoints 불균일 보정법을 개발하여 영향을 최소화할 수 있도록 하였다.
- 보정 전 영상은 검출 소자간 불균일 패턴으로 인해 표적 식별이 전혀 불가능하나 보정 영상은 작은 막대표적까지 뚜렷하게 구별됨을 알 수 있다. 또한 보정 연산처리된 픽셀데이터에 대해 Dead 픽셀 보상을 하며 히스토그램을 구하여 영상 대조비를 개선하고 전자적 줌을 수행한다.
- 3 ℃ 이다. 또한본 열상센서는 광학계에 대한 비열화 개념을 적용하여 -30℃ 에서 +55℃까지 매우 광범위한 온도영역 내에서 열영상의 성능저하 없이 동작 가능하며 온도쳄버를 이용한 환경시험을 통해 이에 대한 성능을 검증하였다.
- 본 논문에서는 320X240 배열을 갖는 3.7 ㎛~4.8 ㎛ 중적외선 영역 MCT(HgCdTe) 재질의 프랑스 SOFRADIR사의 모델 ID MM02502 적외선 검출기를 이용하여 고성능의 새로운 3세대 열상센서를 설계, 구현하였다. 시스템은 적외선 검출기를 중심으로 앞부분에 표적의 에너지를 집속할 수 있는 적외선 광학부를 구성하고 뒷부분에 적외선 검출, 영상신호 처리부 및 입출력 처리부를 구성하였다.
- 1세대 열상장비의 경우 이를 외부에 검출기의 수직배열 수만큼 부착되는 증폭기를 통하여 증폭률을 조정하는 아날로그 방식으로 보정하였으나, 이 경우는 어느 특정관측 상태 하에서 고정된 이득값으로의 보정만이 가능하여 관측 상태가 변화하면 역시 균일한 응답특성을 갖지 못하여 영상이 균일하지 못할 수가 있다. 본 연구에서는 이를 주변관측환경에 적응하여 준실시간 또는 실시간으로 각 채널간의 이득을 보정할 수 있도록 그림 5와 같은 개념의 온도 구간별 보정계수 테이블과 광학계 . 디포커싱을 이용한 MultiPoints 불균일 보정법을 개발하여 영향을 최소화할 수 있도록 하였다.
- 본 적외선 줌 광학계의 설계 및 제작에서는 광학계의 비열화 보상 방법으로 줌 광학계의 시계 변화를 위해 움직이는 두 줌 렌즈군에 추가적인 이동을 부가하여 온도에 따른 상면의 defbcus를 제거하도록 하였으며, 온도센서와 적절한 온도 구간별로 계산된 두 줌 렌즈군의 LUT(Look-Up Table)를 이용하여 구현하였다. 그림 4는 4-bar 흑체 표적을 이용하여 줌 광학계의 비열화 보상 전과 비열화 보상 후를 +50 ℃ 및 -30 ℃에서 비교한 열 영상을 보여준다.
- 8 ㎛ 중적외선 영역 MCT(HgCdTe) 재질의 프랑스 SOFRADIR사의 모델 ID MM02502 적외선 검출기를 이용하여 고성능의 새로운 3세대 열상센서를 설계, 구현하였다. 시스템은 적외선 검출기를 중심으로 앞부분에 표적의 에너지를 집속할 수 있는 적외선 광학부를 구성하고 뒷부분에 적외선 검출, 영상신호 처리부 및 입출력 처리부를 구성하였다. 적외선 광학부는 최근 외국에서도 많이 연구되고 있는 적외선 줌 광학계로 구성하여 표적 관측이 용이토록 하였고 미세 주사장치(micro scanner)를 개발하여 영상의 분해능이 4배 증가되어 640X 480 화소를 재현하도록 하였다.
- 아날로그 전자회로부는 4채널 AD변환 후 다중화하는 구조로 제작하였다. AD변환기는 입력신호의 상한값과 하한값을 정해주며, 스윙범위도 공급하여 검출기출력신호를 AD 변환하기 위한 별도의 신호처리과정을 단순화할 수 있다.
- 측정 결과 설계치인 협시계 2。x1.5。, 광시계 40。x30。에 제작 및 조립오차를 감안하여 공차 10%를 적용하였으며 측정치는 모두 설계 범위내로 측정되었다. 열상장비의 경우 장비 성능을 열 분해능의 개념에서 종합적으로 나타내는 척도로 최소분해가능온도차(MRTD)가 사용된다.
- 신호처리기를 구현하였다. 영상 후 처리부에서도 VBlank기간에 픽셀데이터가 쓰여지고 영상구간 동안 출력되는 구조로 구현하였다. 검출기 불균일 보상은 디지털 신호처리기를 이용하여 실시간 처리하였으며, 보정 전 6.
- 위와 같은 검출기의 사양을 바탕으로 본 열상센서의 광학계는 넓은 시계(FOV : field of view)가 확보되어 전반적인 상황 인식에 유리하며 표적의 세밀한 관측까지도 가능하도록 줌(zoom) 방식으로 구성하였다. 특별히 줌 광학계의 줌비(zoom ratio)는 통상적인 3~4 정도를 대폭 확장하여 최대배율 20배, 최저배율 1배인 줌 비 20:1의 적외선 광학계로설계하여 최저배율 40°X30°, 최대배율에서 2x1.
- 제작 결과, 광학 및 시스템 측면에서의 평가를 위해 먼저 적외선 줌 광학계에 대한 시계 측정을 수행하였다. 측정 결과 설계치인 협시계 2。x1.
- 신호처리부는 검출기 신호 출력을 위한 아날로그 부분과 영상 신호처리를 위한 디지털 부분으로 구성하였다. 후반부는 센서의 조정 및 제어 명령 수신과 영상출력을 위한 입출력 처리부로 구성하였다 특히 광학 배율이 1배로부터 최대 20배까지 연속적으로 변화할 수 있는 중적외선 줌 광학계를 설계하였으며 2차원 배열 미소 열영상 신호에 대한 14bits의 고속 디지털 신호처리기를 설계하여 영상을 재현하였으며 디지털 신호처리를 통해 검출배열 소자 상호간의 불균일성이 보정되도록 하였다.
대상 데이터
- 적외선 광학계 설계의 기준이 되는 검출기의 1-픽셀(pixel) 크기는 가로 세로 각각 30 ㎛이며 90%의 fill fhctor를 갖는다. 따라서 시계를 결정하는 검출기의 크기는 가로 세로 각각 9.6 mm 및 7.2 mm이며, 시스템 F/수는 F/2.5이다. 검출기의 주요 특성을 정리하면 표 1과 같다.
- 완전 2차원 배열의 적외선 검출기는 '90년대 중반 이후 3~5 ㎛ 파장대역의 320X240 배열이 실용화 되었으며 640X480 배열 이상 수준의 적외선 검출기가 꾸준히 개발되고 있다. 본 연구에서는 먼저 활용이 가능한 320X240배열의 광기전성(photovoltaic) MCT 검출기(프랑스 SOFRADIR 사 모델 ID MM02502)를 구입하여 시스템을 구성하였다.
이론/모형
- 따라서 본 시스템과 같이 수평 방향으로 320개 소자 배열을 갖는 검출기의 경우, 수평 방향 재현 화소수 역시 320화소로 제한되어 라인 (line)당 최대 160 cycle로 공간분해능이 제한되므로 영상의 분해능이 매우 떨어지고 이보다 높은 주파수의 영상은 aliasing 되어 복잡한 패턴의 영상은 식별하기 어렵다. 따라서 이러한 적은 검출 소자 개수의 한계를 극복하기 위하여 미세 주사방법을 적용하였다.
성능/효과
- 20배의 고배율로부터 1배의 초광각까지 중적외선 영역 연속 줌 광학 형태로 제작되어 장비의 응용성을 높이고 미세주사 장치를 개발하여 광 경로상에 삽입하므로서 영상의 광학적 분해능을 60% 정도 증가시켰고 재현 화소수는 320X 240 배열의 76, 800 검출소자 배열로 30만 화소의 영상을 획득할 수 있었다. 영상 신호처리부에서는 미소 열영상 신호에 대한 저잡음 증폭과 고속 신호처리 뿐 아니라 히스토그램 처리를 통한 디지털 방식의 영상 개선 알고리즘을 개발하여 기존의 8 bits 처리에서 14 bits 처리로 증대시키므로서 관측능력을 향상시켰다.
- 한편 '80년대 중반 이후부터는 분해능 및 탐지성능이 보다 우수하고 신뢰성이 강화된 2세대 및 3세대 열상센서의 연구가 시작되었다.[4] ' 70~'80년대에 개발된 1세대 열상센서의 경우는 검출소자 제작의 어려움으로 소자 수가 10 여개로 부터 200여개 까지로 제한되어 충분한 영상의 분해능을 확보하기가 어려웠다. 이에 비해 2세대 또는 3세대로 불리우는 초점면 배열 검출(IRFPA : InfreRed Focal Plane Array)방식 열상센서는 기존 1세대 열상센서에 대하여 열 분해능이 우수하고 화소수가 수천~수십만개로 대폭 증가되어 광학적 분해능도 향상된다.
- 영상 후 처리부에서도 VBlank기간에 픽셀데이터가 쓰여지고 영상구간 동안 출력되는 구조로 구현하였다. 검출기 불균일 보상은 디지털 신호처리기를 이용하여 실시간 처리하였으며, 보정 전 6.5%이던 검출기 불균일도가 0.1% 이하로 보정되는 결과를 얻었다. 그림8은 0.
- 구동을 위한 이동 나사의한 쪽 끝은 주 프레임앞면에 베어링으로 고정되며, 다른 끝은 스텝 모터에 바로 물리는 방식을 택하였다. 따라서 스텝모터와 이동 나사간에 별도의 기어장치가 필요 없으므로 매우 간단한 구조의 구동장치로 구현되었으며, 최고배율에서 최저배율까지 총 50단계로 구동하는데 13초가 소요되었다.
- 우로 구동하는 것으로 완벽한 640X480의 분해능을 기대할 수는 없으나 대략 50% 정도 공간분해능이 향상된 효과를 얻었다. 미세 주사장치의 도입을 통해 향상된 줌 광학계의 한계 분해능은 검출소자 한 개의 수평방향 크기에 의해 제한되는 Nyquist 주파수인 4.5 cycles/mrad에서 1.7배 증가한 7.6 cycles/mrad까지 증가되었다.(3)
- 열상장비의 경우 장비 성능을 열 분해능의 개념에서 종합적으로 나타내는 척도로 최소분해가능온도차(MRTD)가 사용된다. 실제 장비 제작시는 예상치 못한 잡음의 발생이나 제작 허용 공차 등으로 측정값이 이론적으로 예측된 MRTD값 보다 더 커질 수 있으며 제작된 제품의 MRTD 측정값은 1 cy/mrad의 공간주파수에서 0.04℃ 로 매우 우수한 결과로 나타났다. 그림 9는 제작된 열상센서의 배율을 변화시키면서 몇 개의 배율에 대해 촬영한 영상이다.
- 영상 신호처리부에서는 미소 열영상 신호에 대한 저잡음 증폭과 고속 신호처리 뿐 아니라 히스토그램 처리를 통한 디지털 방식의 영상 개선 알고리즘을 개발하여 기존의 8 bits 처리에서 14 bits 처리로 증대시키므로서 관측능력을 향상시켰다. 아울러 고밀도 배열에서 검출소자 각각의 특성에 기인하는 검출 배열소자 상호간의 불균일성이 관측상황에 적합하게 보정되도록 하였다. 독자 설계된 비주사방식열상센서는 경비행기 등의 감시 및 항행 센서로 사용 가능하도록 구(ball) 형태인 영상감지기 터렛 구동부 안에 탑재할 수 있게 제작되어 야간 관측 장비로의 다양한 활용이 기대된다.
- 수 있었다. 영상 신호처리부에서는 미소 열영상 신호에 대한 저잡음 증폭과 고속 신호처리 뿐 아니라 히스토그램 처리를 통한 디지털 방식의 영상 개선 알고리즘을 개발하여 기존의 8 bits 처리에서 14 bits 처리로 증대시키므로서 관측능력을 향상시켰다. 아울러 고밀도 배열에서 검출소자 각각의 특성에 기인하는 검출 배열소자 상호간의 불균일성이 관측상황에 적합하게 보정되도록 하였다.
- 하 및 좌 . 우로 구동하는 것으로 완벽한 640X480의 분해능을 기대할 수는 없으나 대략 50% 정도 공간분해능이 향상된 효과를 얻었다. 미세 주사장치의 도입을 통해 향상된 줌 광학계의 한계 분해능은 검출소자 한 개의 수평방향 크기에 의해 제한되는 Nyquist 주파수인 4.
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