[국내논문]비냉각형 TEC-less 열상 시스템에 적합한 선형보간 기반 동적 보정 계수 추정 기법 Dynamic Calibration Coefficients Estimation with Linear Interpolation for Uncooled TEC-less IRFPA원문보기
비냉각형 열상 시스템에 대한 관심이 국방 및 항공우주 분야에서 증가하고 있다. 특히, 국방분야 무기체계에서는 무인화 및 주야간 적군 탐지를 위한 요소기술로 활용되고 있다. 비냉각형 열상 시스템의 연구 분야 중 저비용, 저전력, 소형화를 위한 비냉각형 TEC(Thermal Electric Cooler)-less 열상 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 TEC-less로 운영하기 위해서는 최적화된 불균일보정 계수의 추출 및 적용이 요구된다. 본 논문에서는 TEC-less로 최적화 된 보정 계수 획득 방법으로 선형 보간법을 이용한 보정 계수 추정 방법인 DCCE-LI(Dynamic CalibrationCoefficientEstimation with Linear Interpolation)을 제안하고, 실험을 통해 제안 기법이 기존의 정적 보정 계수를 적용한 것에 비해 IR 영상 품질이 우수하고, 실시간 보정 계수 추정이 가능함을 보인다.
비냉각형 열상 시스템에 대한 관심이 국방 및 항공우주 분야에서 증가하고 있다. 특히, 국방분야 무기체계에서는 무인화 및 주야간 적군 탐지를 위한 요소기술로 활용되고 있다. 비냉각형 열상 시스템의 연구 분야 중 저비용, 저전력, 소형화를 위한 비냉각형 TEC(Thermal Electric Cooler)-less 열상 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 TEC-less로 운영하기 위해서는 최적화된 불균일보정 계수의 추출 및 적용이 요구된다. 본 논문에서는 TEC-less로 최적화 된 보정 계수 획득 방법으로 선형 보간법을 이용한 보정 계수 추정 방법인 DCCE-LI(Dynamic Calibration Coefficient Estimation with Linear Interpolation)을 제안하고, 실험을 통해 제안 기법이 기존의 정적 보정 계수를 적용한 것에 비해 IR 영상 품질이 우수하고, 실시간 보정 계수 추정이 가능함을 보인다.
These days, Uncooled IR Systems are more popular in the area of defense and aerospace than before. Uncooled IR Systems are widely used as core technology for making unmanned systems and detecting enemy objects during the day and night in the distance. Recently, researches on TEC-less IRFPA have been...
These days, Uncooled IR Systems are more popular in the area of defense and aerospace than before. Uncooled IR Systems are widely used as core technology for making unmanned systems and detecting enemy objects during the day and night in the distance. Recently, researches on TEC-less IRFPA have been increased to minimize the power consumption and to make a smaller system than before. For this, it needs to find adequate NUC(Non-Uniformity Correction) coefficients as FPA(Focal Plane Array) temperature changes. In this paper, we propose a new NUC coefficient estimating technique, DCCE-LI(Dynamic Calibration Coefficients Estimation with Linear Interpolation), for TEC-less IRFPA. It is based on a linear interpolation method and it can estimate NUC coefficients in real-time. So, by testing and evaluating it with some IR images, we conclude that the quality of IR images using proposed method is better than applying static coefficients.
These days, Uncooled IR Systems are more popular in the area of defense and aerospace than before. Uncooled IR Systems are widely used as core technology for making unmanned systems and detecting enemy objects during the day and night in the distance. Recently, researches on TEC-less IRFPA have been increased to minimize the power consumption and to make a smaller system than before. For this, it needs to find adequate NUC(Non-Uniformity Correction) coefficients as FPA(Focal Plane Array) temperature changes. In this paper, we propose a new NUC coefficient estimating technique, DCCE-LI(Dynamic Calibration Coefficients Estimation with Linear Interpolation), for TEC-less IRFPA. It is based on a linear interpolation method and it can estimate NUC coefficients in real-time. So, by testing and evaluating it with some IR images, we conclude that the quality of IR images using proposed method is better than applying static coefficients.
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문제 정의
본 논문에서는 TEC-less로 운영 시 FPA 검출기온도의 변화에 따른 최적화 된 보정 계수 획득방법으로 선형 보간법을 이용하여 현재 온도에적합한 보정 계수를 추출하는 방법인 DCCE-LI(Dynamic Calibration Coefficient Estimation with Linear Interpolation)을 제안하고, 비냉각 열상 시스템을 가지고 실험을 수행함으로써 IR 영상 품질이 향상됨을 확인 및 검증을수행하였다.
본 절에서는 FPA 검출기의 온도를 변화하면서 일정 온도를 가진 대상 물체인 흑체에 대해 DC 출력 변화를 살펴본다. 이를 통해, FPA 검출기 온도가 변할 때 DC 출력의 변화 특성과 gain, offset 계수의 변화 특성을 살펴본다.
가설 설정
3) 흑체 열상 DC 출력값을 가지고 정적 gain, offset 보정 계수를 구한다.
제안 방법
이를 정량적으로 평가하기 위해, 선형구간 2 0笆에서 40笆로 간격을 20笆로 하고, 30笆에서얻은 BBC 영상에 대한 잔여불균일성인 RNU(Residual Non Uniformity)를 평가하였다. 결과는 표 1과 같다.
출력 변화를 살펴본다. 이를 통해, FPA 검출기 온도가 변할 때 DC 출력의 변화 특성과 gain, offset 계수의 변화 특성을 살펴본다.
FPA 검출기의 온도 변화에 따라 보정 계수의 변화가 일정한 패턴을 보이는지, 패턴은 어떠한 형태를 가지는지를 봄으로써 가장 적합한 보정 계수 추정 방법을 선정할 수 있다. 이를 확인한 후 제안 기법을 통해 획득하는 gain, offset 추정 수식을 기술하고, IR 영상을 획득하는 절차를 기술한다.
적용한 영상을 보여준다. 정적 보정 계수는 10t 간격으로 되어 있는 온도 구간별로 정적 보정 계수 중 FPA 검출기 온도에 가장 근접한 3 0笆의 보정 계수이고, 제안 기법을 통해 얻은 보정 계수는 FPA 검출기의 현재 온도를 포함하는 온도 구간인 20笆와 30笆의 보정 계수를 선형보간법을 통해 얻었다.
대해서 기술한다. 제안 기법은 TEC-less로 운영하기 위해 FPA 검출기의 온도구간별 정적 보정 계수를 선형 보간하여 실시간으로 동적 보정 계수를 획득하여 적용하는 방법이다.
대상 데이터
주요 실험 환경은 다음과 같다. 먼저, 비 냉각형 열영상 FPA 검출기는 UI几IS사의 ZUL 04 27 2, 를 이용하였다. 픽셀 피치는 17 um이고, 검출 파장 대역은 8 - 12 um LWIR이고, FPA 검출기 배열 크기는 640x480이다.
픽셀 피치는 17 um이고, 검출 파장 대역은 8 - 12 um LWIR이고, FPA 검출기 배열 크기는 640x480이다. 정적 gain, offset 보정 계수는 FPA 검출기 온도가 0笆에서 10t 간격으로 획득하였고, 목표 영상은 28笆에서 획득하였다.
먼저, 비 냉각형 열영상 FPA 검출기는 UI几IS사의 ZUL 04 27 2, 를 이용하였다. 픽셀 피치는 17 um이고, 검출 파장 대역은 8 - 12 um LWIR이고, FPA 검출기 배열 크기는 640x480이다. 정적 gain, offset 보정 계수는 FPA 검출기 온도가 0笆에서 10t 간격으로 획득하였고, 목표 영상은 28笆에서 획득하였다.
이론/모형
본 절에서는 선형 보간법을 이용한 보정 계수추정 수식을 정의한다. 이때, 보정 계수의 정확성과 보정 계수를 추정하는데 소요되는 시간을 가장 중요한 요소로 고려한다.
본 절에서는 제안 기법인 DCCE-LI(Dynamic Calibration Coefficient Estimation with Linear Interpolation)에 대해서 기술한다. 제안 기법은 TEC-less로 운영하기 위해 FPA 검출기의 온도구간별 정적 보정 계수를 선형 보간하여 실시간으로 동적 보정 계수를 획득하여 적용하는 방법이다.
성능/효과
따라서, 정적 계수를 적용하는 것에 비해 제안기법인 DCCE-LI 기반 동적 계수를 적용한 불균일보정시 품질이 좋음을 알 수 있다.
본 연구에서는 저비용, 저전력, 소형화를 목표로 하는 비 냉각형 TEC-less 열상 시스템에 적용할 수 있는 TEC-less 보상 계수 추정기법으로 선형보간법 기반 계수 추정 기법인 DCCE-LI를 제안하고 실험 및 분석을 통해 구간별 정적 계수를 적용했을 때와 비교하여 열 영상 품질이 향상됨을 확인하였다. 또한, 선형 보간법은 다중 보간법 둥에 비해 연산 처리에 소요되는 비용이 상당히 낮음으로 실시간 보정 계수 추출이 가능하다.
RNU의 값이 0에 가까울수록 좋고, 0보다 클수록 나쁘다. 표 1의 결과를 분석해 보면 정적보상계수를 적용한 불균일 보정에 비해 제안기법의 보상계수를 적용한 불균일 보정을 적용했을 때 RNU가 0.2854로 가장 작음을 알 수 있다.
후속연구
그러나, 타 연구에서 제안하는 기법과의 비교를 통한 정량적인 분석, 다양한 FPA 검출기 온도 구간에서의 영상 품질 비교를 통한 검증 등이 부족하다. 향후, 이러한 부분에 대한 연구를 수행할 예정이다.
향후, 이러한 부분에 대한 연구를 수행할 예정이다.
참고문헌 (2)
H. Honda, H. Funaki, I. Fujiwara, H. Yagi, K. Ishii, K. Suzuki, K. Sasaki, M. Ogata, R. Ueno, H. Kwon, 'A 320X240 pixel uncooled TEC-less infrared radiation focal plane array with the reset noise canceling algorithm', Proc. of SPIE 7660, pp. 76600Z1-10.
C. Minassian, J.L. Tissot, M. Vilain, O. Legras, S. Tinnes, B. Fieque, J.M. Chiappa, P. Robert, 'Uncooled amorphous silicon TEC-less 1/4 VGA IRFPA with $25{\mu}m$ pixel-pitch for high volume applications', Proc. of SPIE 6940, pp. 69401Z1-8.
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