전차 조준경으로 사용될 수 있는 2세대 열상장비를 개발하였다. 설계된 장비는 프랑스 Sofradir사의 $480\times6$ 배열 원적외선$(7.7{\mu}m-10.3{\mu}m)$ MCT(HgCdTe) 검출기를 이용하였고, $2.67^{\circ}\times2^{\circ}$의 고배율 협시계와 $10^{\circ}\times7.5^{\circ}$의 저배율 광시계의 이중배율을 가지고 있다. 또한 넓은 운용 온도 범위에서도 시스템의 성능이 저하되지 않도록 비열화 기술을 적용하였다. 설계된 장비는 고효율의 주사장치로 47만 화소의 실시간 영상 재현이 가능하며, 이는 1세대 열상장비에 비하여 화소수가 대폭 증가한 것이다. 적외선 검출소자들의 불균일 보정을 위해서 열전 냉각 소자를 이용한 두 점 보상 기법을 제시하여 실시간 보정이 이루어지게 하였고, 열영상 분포 히스토그램 가변 방식의 처리 기법을 제안하여 적용함으로써 대조비가 매우 낮은 표적의 식별도 용이하게 하였다. 설계 및 제작된 2세대 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차를 측정한 결과, 2cycles/mrad의 공간주파수에서 0.05K 이하의 우수한 결과를 보였다.
전차 조준경으로 사용될 수 있는 2세대 열상장비를 개발하였다. 설계된 장비는 프랑스 Sofradir사의 $480\times6$ 배열 원적외선$(7.7{\mu}m-10.3{\mu}m)$ MCT(HgCdTe) 검출기를 이용하였고, $2.67^{\circ}\times2^{\circ}$의 고배율 협시계와 $10^{\circ}\times7.5^{\circ}$의 저배율 광시계의 이중배율을 가지고 있다. 또한 넓은 운용 온도 범위에서도 시스템의 성능이 저하되지 않도록 비열화 기술을 적용하였다. 설계된 장비는 고효율의 주사장치로 47만 화소의 실시간 영상 재현이 가능하며, 이는 1세대 열상장비에 비하여 화소수가 대폭 증가한 것이다. 적외선 검출소자들의 불균일 보정을 위해서 열전 냉각 소자를 이용한 두 점 보상 기법을 제시하여 실시간 보정이 이루어지게 하였고, 열영상 분포 히스토그램 가변 방식의 처리 기법을 제안하여 적용함으로써 대조비가 매우 낮은 표적의 식별도 용이하게 하였다. 설계 및 제작된 2세대 열상장비의 고배율에서 최소분해가능온도차를 측정한 결과, 2cycles/mrad의 공간주파수에서 0.05K 이하의 우수한 결과를 보였다.
A new second generation advanced thermal imager, which can be used for battle tank sight has been developed by ADD. This system uses a $480\times6$ TDI HgCdTe detector, operating in the $7.7-10.3{\mu}m$ wavelength made by Sofradir. The IR optics has dual field of views such as ...
A new second generation advanced thermal imager, which can be used for battle tank sight has been developed by ADD. This system uses a $480\times6$ TDI HgCdTe detector, operating in the $7.7-10.3{\mu}m$ wavelength made by Sofradir. The IR optics has dual field of views such as $2.67\times2^{\circ}$ in NFOV and $10\times7.5^{\circ}$ in WFOV. And also, this optics is used for athermalization of the system. It is certain that our sensor can be used in wide temperature range without any degradation of the system performance. The scanning system to be able to display 470,000 pixels is developed so that the pixel number is greatly increased comparing with the first generation thermal imaging system. In order to correct non-uniformity of detector arrays, the two point correction method has been developed by using the thermo electric cooler. Additionally, to enhance the image of low contrast and improve the detection capability, we have proposed the new technique of histogram processing being suitable for the characteristics of contrast distribution of thermal imagery. Through these image processing techniques, we obtained the highest quality thermal image. The MRTD of the LWIR thermal sight shows good results below 0.05K at spatial frequency 2 cycles/mrad at the narrow field of view.
A new second generation advanced thermal imager, which can be used for battle tank sight has been developed by ADD. This system uses a $480\times6$ TDI HgCdTe detector, operating in the $7.7-10.3{\mu}m$ wavelength made by Sofradir. The IR optics has dual field of views such as $2.67\times2^{\circ}$ in NFOV and $10\times7.5^{\circ}$ in WFOV. And also, this optics is used for athermalization of the system. It is certain that our sensor can be used in wide temperature range without any degradation of the system performance. The scanning system to be able to display 470,000 pixels is developed so that the pixel number is greatly increased comparing with the first generation thermal imaging system. In order to correct non-uniformity of detector arrays, the two point correction method has been developed by using the thermo electric cooler. Additionally, to enhance the image of low contrast and improve the detection capability, we have proposed the new technique of histogram processing being suitable for the characteristics of contrast distribution of thermal imagery. Through these image processing techniques, we obtained the highest quality thermal image. The MRTD of the LWIR thermal sight shows good results below 0.05K at spatial frequency 2 cycles/mrad at the narrow field of view.
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문제 정의
국내에서도 이미 1990년대 중반부터 원적외선의 1세대 열 상장비와 중적외선의 초점면 배열 열상장비를 개발하여[3-8] 야간 감시장비, 또는 헬리콥터 등의 야간항행 장비로 활용하고 있다. 본 논문에서는 480×6 배열의 원적외선 검출기를 이용하여 표적 획득 능력이 대폭 향상된 고성능의 2세대 열 상장비를 설계, 개발하였다. 고성능 지상전투차량의 효율적 사격통제를 위해 광시계와 협시계의 이중 배율로 광학계를 설계하였고 14 bit 디지털 영상처리로 잡음을 대폭 감소시키고 영상의 화소수를 47만 화소로 증가시켜 선명하고 세밀한 영상 획득이 가능케 하였다.
본 논문에서는 기준온도기반 실시간 불균일 보정 기술을 적용하여 디지털 신호처리기를 설계하였다. 즉, 2개의 흑체 복사체인 열전 냉각소자를 기준 온도원으로 설정하고 입력 영상의 온도분포히스토그램을 획득한 뒤 온도분포의 1/4지점인 저온 TEC와 3/4지점인 고온 TEC를 30 Hz 화면율로 각각 제어하여 검출 소자간 이득 및 옵셋이 실시간 적응적으로 보정되도록 하였다.
본 연구에서는 이러한 열영상의 농도분포 특성을 이해하여 그에 적합한 대조비 개선 방법으로서 히스토그램 가변방식의 적응형 농도분포 변환 방법을 설계하였다. 이 방법은 농도분포 비교시 전체 히스토그램 크기를 모두 비교하지 않고, 영상에 따라 적절하게 크기 레벨을 제한한다.
가설 설정
계산상의 편의를 위해 망원경 광학계의 출사동에 perfect lens를 두었다. 즉, 실제 대물렌즈의 경우 한쪽 방항으로 크기가 제한되나 출사동이 원형이라고 가정하고 계산된 값이다. 시계의 중심에서 MTF 분석값은 이론적 한계치인 회절한계 성능에 가까우며 최 외곽 시계에서도 18 cy/mm에 서 MTF 0.
제안 방법
전차에서 표적을 획득하기 위한 조준경에 사용할 수 있는 2세대 열상장비를 개발하였다. 7.7 um〜 10.3 um 파장대역을 검출할 수 있는 480×6 초점면배열 적외선 검출기를 사용하여 열상장비를 구성하고 이중 배율광 학계와 기구부 및 신호처리기를 설계, 구현하였다.
한편 그림3은 설계된 망원경 광학계의 고배율에서의 변조 전달함수(MTF : Modulation Transfer Function) 특성을 나타낸 것이다. 계산상의 편의를 위해 망원경 광학계의 출사동에 perfect lens를 두었다. 즉, 실제 대물렌즈의 경우 한쪽 방항으로 크기가 제한되나 출사동이 원형이라고 가정하고 계산된 값이다.
본 논문에서는 480×6 배열의 원적외선 검출기를 이용하여 표적 획득 능력이 대폭 향상된 고성능의 2세대 열 상장비를 설계, 개발하였다. 고성능 지상전투차량의 효율적 사격통제를 위해 광시계와 협시계의 이중 배율로 광학계를 설계하였고 14 bit 디지털 영상처리로 잡음을 대폭 감소시키고 영상의 화소수를 47만 화소로 증가시켜 선명하고 세밀한 영상 획득이 가능케 하였다.
즉, P값을 기준으로 히스토그램 크기가 제한된 빗금친 새로운 히스토그램 함수를 구한다. 그 다음 가변된 새로운 히스토그램를 이용하여 히스토그램 평활화 방법으로 영상의 농도 분포 영역을 변환시켜 대조비를 향상시킨다. 여기서 히스토그램 크기 조절값 P는 표적이 위치한 영역에 따라 표적 식별관점에서 최적조절값이 달라질 수 있다.
디지털 영상처리부의 기본 H/W 구조는 가급적 구성을 간단히 하면서 효율적으로 복잡한 영상처리 기능이 제어되도록 가능한 S/W 처리로 설계하였다. 이를 위해 영상처리 전용의 고성능 DSP 프로세서와 고집적도를 가지는 FPGA 소자를 사용하였다.
아날로그 영상 처리에서 검출신호는 홀수필드와 짝수필드로 나뉘어 각각 8개 채널씩 총 16개 채널을 통해 채널당 30라인씩 다중화되어 출력되는데, 이러한 신호들로부터 한 프레임의 영상을 구성하기 위해서 전처리부에서 별도의 다 중화 처리과정을 추가하였다. 또 다중화 처리에는 검출기의 검출신호 안정화 시간이 80 ns이상 필요하므로 채널당 다중화 시간을 충분히 길게 확보토록 설계하였다.
보정렌즈 중간 초점에서 시준렌즈군 간의 거리는 열전 냉각소자의 장착을 위해 10 mm 이상 요구되며, 렌 즈 간의 간격은 전차의 진동, 충격 등의 환경적인 요소들을 고려하여 안전하게 1 mm 이상으로 제한하였다. 또 배율렌즈군과 보정렌즈와의 거리는 구동 및 마운트 비열화 보정량 등을 고려하여 약 6.5 mm 이상으로 설계하였다.<표 2> 설계된 망원경 광학계의 사양이다.
전차 조준경용 열상장비는 일반적으로 전투 상황을 잘 판단할 수 있도록 광시계의 저배율 광학계가 필요하며, 동시에 사격통제가 잘 이루어지도록 표적을 확대할 수 있는 고배율의 광학계도 필요하여 통상 이중 배율로 구성된다. 본 연구에서는 40º×30º를 기본 1배율 시계로 놓고 고배율 15배, 저배율 4배의 이중배율 원적외선 광학계를 설계하였다. 이에 따르는 시계는 고배율 2.
따라서 이러한 defocus에 의한 성능저하를 개선할 적절한 줌 카메라의 비열화 보정이 필요함을 알 수 있다. 본적외선 광학계의 설계 및 제작에서는 광학계의 비열화 보상 방법으로 광학계의 시계 변화를 위해 움직이는 두 개의 배율렌즈군에 추가적인 이동을 부가하여 온도에 따른 상면의 defocus를 제거하도록 하였으며, 온도센서와 적절한 온도 구간별로 계산된 두 렌즈군의 LUT(Look-Up Table)를 이용하여 구현하였다. 이밖에 렌즈의 제작 및 조립공차들을 고려하여 민감도 분석을 수행하였다.
설계된 전차 조준경용 열상장비를 삼성탈레스(주)와 협력하여 제작하고 평가하였다. 광학부품은 (주)이오시스템에서 제작하였다.
아날로그 영상 처리에서 검출신호는 홀수필드와 짝수필드로 나뉘어 각각 8개 채널씩 총 16개 채널을 통해 채널당 30라인씩 다중화되어 출력되는데, 이러한 신호들로부터 한 프레임의 영상을 구성하기 위해서 전처리부에서 별도의 다 중화 처리과정을 추가하였다. 또 다중화 처리에는 검출기의 검출신호 안정화 시간이 80 ns이상 필요하므로 채널당 다중화 시간을 충분히 길게 확보토록 설계하였다.
즉, 영상처리 기능을 직접 수행하고 전달하는 부분은 FPGA 로직으로 회로를 구성하고 알고리즘 제어 기능은 DSP 프로세서를 이용하여 S/W적으로 처리하도록 하였다. 영상처리용 DSP 소자로는 내부에 4개의 병렬 프로세서가 내장된 미국 TI사 TMS320C80 MVP를 사용하였고 멀티태스킹(Multitasking)을 이용한 다중 영상처리 방식를 통해 S/W 기반의 실시간 열 영상처리를 수행하도록 설계, 구현하였다.
본적외선 광학계의 설계 및 제작에서는 광학계의 비열화 보상 방법으로 광학계의 시계 변화를 위해 움직이는 두 개의 배율렌즈군에 추가적인 이동을 부가하여 온도에 따른 상면의 defocus를 제거하도록 하였으며, 온도센서와 적절한 온도 구간별로 계산된 두 렌즈군의 LUT(Look-Up Table)를 이용하여 구현하였다. 이밖에 렌즈의 제작 및 조립공차들을 고려하여 민감도 분석을 수행하였다. 광학계 배율 전환과 민감도 분석에 따른 조립, 조정공차, 비열화 보상을 위한 이동범위들은 그림 4와 같다.
전차에서 표적을 획득하기 위한 조준경에 사용할 수 있는 2세대 열상장비를 개발하였다. 7.
종래의 1세대 열상장비들은 검출소자의 수가 수십~200여 개 정도에 불과하였기 때문에 각각의 검출 소자에 아날로그 증폭기를 연결하여 이득과 옵셋을 보정하는 방식을 사용하였다. 그러나 2세대 열상장비는 검출소자 수가 수천 개에 달하므로 아날로그 방식에 의한 보정회로 구현은 불가능하다.
본 논문에서는 기준온도기반 실시간 불균일 보정 기술을 적용하여 디지털 신호처리기를 설계하였다. 즉, 2개의 흑체 복사체인 열전 냉각소자를 기준 온도원으로 설정하고 입력 영상의 온도분포히스토그램을 획득한 뒤 온도분포의 1/4지점인 저온 TEC와 3/4지점인 고온 TEC를 30 Hz 화면율로 각각 제어하여 검출 소자간 이득 및 옵셋이 실시간 적응적으로 보정되도록 하였다.
광학계 배율 전환과 민감도 분석에 따른 조립, 조정공차, 비열화 보상을 위한 이동범위들은 그림 4와 같다. 즉, 광학계 배율조정을 위해 19.5 mm, 조립과 조정을 위해 2.5 mm, 비열화 보상을 위해 6 mm, 원근초점 조절을 위해 0.5 mm로 총 28.5 mm로 설계하였다.
이를 위해 영상처리 전용의 고성능 DSP 프로세서와 고집적도를 가지는 FPGA 소자를 사용하였다. 즉, 영상처리 기능을 직접 수행하고 전달하는 부분은 FPGA 로직으로 회로를 구성하고 알고리즘 제어 기능은 DSP 프로세서를 이용하여 S/W적으로 처리하도록 하였다. 영상처리용 DSP 소자로는 내부에 4개의 병렬 프로세서가 내장된 미국 TI사 TMS320C80 MVP를 사용하였고 멀티태스킹(Multitasking)을 이용한 다중 영상처리 방식를 통해 S/W 기반의 실시간 열 영상처리를 수행하도록 설계, 구현하였다.
대상 데이터
설계된 전차 조준경용 열상장비를 삼성탈레스(주)와 협력하여 제작하고 평가하였다. 광학부품은 (주)이오시스템에서 제작하였다. 그림8은 전차의 포수 조준경용으로 설계 및 구현된 열상장비를 보여준다.
열상 신호처리기는 아날로그 신호처리부, 디지털 신호처리부 광학계 및 열전 냉각 소자(TEC : Thermo- Electric Co oler) 구동부, 수평주사거울 구동부, 냉각장치 구동부 및 전원부 모듈들로 구성된다.[13-14] 아날로그 신호처리부는 바이어스 및 구동 클럭 발생회로와 출력신호의 아날로그 신호처리 및 AD 변환회로들로 구성되며, 디지털 신호처리부는 주사변환, 불균일보정, 영상의 대조비 향상 등의 기능을 한다.
열상장비 설계에 사용된 480x6 배열의 원적외선 검출기는 프랑스 Soffadir 사의 모델 ID TL056이다. 각 검출소자의 크기는 가로 28 pm 세로 38 lim이며, 수평 방향으로 21.
디지털 영상처리부의 기본 H/W 구조는 가급적 구성을 간단히 하면서 효율적으로 복잡한 영상처리 기능이 제어되도록 가능한 S/W 처리로 설계하였다. 이를 위해 영상처리 전용의 고성능 DSP 프로세서와 고집적도를 가지는 FPGA 소자를 사용하였다. 즉, 영상처리 기능을 직접 수행하고 전달하는 부분은 FPGA 로직으로 회로를 구성하고 알고리즘 제어 기능은 DSP 프로세서를 이용하여 S/W적으로 처리하도록 하였다.
성능/효과
성능평가 결과, 열상장비로서의 성능기준을 모두 충족하고 또 전차에서 요구되는 환경조건도 모두 충족하였다. 기존 1세대 전차용 열상장비들에 비해, 화면의 잡음이 대폭 개선되었고 47만 화소로 선명도가 증가하였으며, 2cycle/mrad)의 공간주파수에서 0.04 °C 수준의 낮은 최소분해 가능 온도차(MRTD)로 관측능력이 20% 이상 향상되었음이 입증되었다
성능평가 결과, 열상장비로서의 성능기준을 모두 충족하고 또 전차에서 요구되는 환경조건도 모두 충족하였다. 기존 1세대 전차용 열상장비들에 비해, 화면의 잡음이 대폭 개선되었고 47만 화소로 선명도가 증가하였으며, 2cycle/mrad)의 공간주파수에서 0.
즉, 실제 대물렌즈의 경우 한쪽 방항으로 크기가 제한되나 출사동이 원형이라고 가정하고 계산된 값이다. 시계의 중심에서 MTF 분석값은 이론적 한계치인 회절한계 성능에 가까우며 최 외곽 시계에서도 18 cy/mm에 서 MTF 0.3 정도로 좋은 광학성능을 보임을 알 수 있다.
그림8은 전차의 포수 조준경용으로 설계 및 구현된 열상장비를 보여준다. 제작된 열상장비에 대해 성능평가를 수행한 결과 모두 설계기준을 충족하였다. 그림 9는 제작된 열상장비에 의해 획득된 열 영상이다.
특히 열상장비의 성능을 종합적으로 나타내는 최소 분해 가능 온도차(MRTD : Minimun Resolvable Temperature Difference)를 측정한 결과 기존 1세대 열상장비의 열분해능이 기준 공간 주파수(Icycle/mrad)에 대해 0.1 °C 내외였던 것에 비해, 개발된 2세대 열상장비는 설계값보다 작은 0.02 °C 수준으로 나타나 보다 세밀한 영상정보 획득이 가능하고 탐지거리가 대폭 증가됨을 알 수 있었다.
참고문헌 (14)
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홍석민외, '320 $\times$ 240 적외선 검출기를 이용한 열상센서 설계,' 한국광학회지, vol. 15, no. 5, pp. 423-428, 2004
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