[논문]소형 화기용 TEC-less 열상 처리 기법

곽동민; 윤주홍; 양동원; 이용헌; 서용석

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.162

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This paper describes a thermal image processing algorithm for uncooled type TEC-less IR detector which is applicable to fire control system of small arms. We implemented a real-time gain and offset compensation algorithm based on polynomial approximation from the raw dataset which is acquired by two...

This paper describes a thermal image processing algorithm for uncooled type TEC-less IR detector which is applicable to fire control system of small arms. We implemented a real-time gain and offset compensation algorithm based on polynomial approximation from the raw dataset which is acquired by two reference temperature of blackbody from various FPA(Focal Plane Array) temperature. Through the experiment, we analyzed the output characteristics of detector's raw-data and compared IR image quality to traditional non-uniformity correction method. It shows that the proposed method works well in all FPA temperature range with low residual non-uniformity.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Output characteristics of uncooled FPA IR detector with TEC
그림 Fig. 2. Detector(1cell) output change according to FPA temperature variation
그림 Fig. 3. Detector(1cell) output difference of 2 black body temperatures according to FPA temperature variation
그림 Fig. 4. Flow chart of proposed TEC-less thermal image processing method
그림 Fig. 5. Raw data acquisition environment for TEC-less coefficients
그림 Fig. 6. The comparing result of polynomial curve fitting using 2nd order and 3rd order coefficients
그림 Fig. 7. Output data curve of 30 ℃ blackbody target according to FPA temperature variation
그림 Fig. 8. Image quality comparison according to FPA temperature change
표 Table 1. IR detector specifications for experiment
그림 Fig. 9. RNU results for FPA temperature variation
표 Table 2. RNU results for FPA temperature variation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 현재 국내 개발 중인 17 μm 피치급 TEC-less 비냉각 열상검출기를 활용하여 실험실 환경에서 열상 검출기의 출력특성을 분석하였다.
본 논문에서는 소형, 저전력 무기체계에 활용 가능한 다항식 기반의 실시간 TEC-less 열상처리 알고리듬을 제안하고, 실험을 통해서 영상품질을 분석하였다. 실험결과에서 제안한 알고리듬을 적용한 경우 최초 보정 후 시간 경과에 따른 FPA 온도 변화에도 열화 없이 우수한 영상품질을 유지함을 정량적인 분석을 통하여 확인하였다.

제안 방법

그리고, 챔버 온도를 가변하면서 안정화 시간을 거친 후 데이터를 획득하게 되는데 실험에서는 검출기의 FPA온도가 -30 °C에서 60 °C까지의 구간 동안 10 °C 간격에 대한 2개의 참조온도에 대한 출력을 획득하였다.
그러나, 소형 화기와 같은 무기체계에서 셔터 구조는 사격충격, 진동의 야전 운용 환경조건에 취약하여 고장 간 평균수명이 짧아 활용에 제한이 있으며 유지보수가 어려운 문제가 있다. 그러므로, 본 논문에서는 이러한 운용상의 특성을 고려하여 최초 1회만 기준면을 통한 보상 후, 오프라인에서 획득한 검출기 출력 특성곡선을 이용한 다항식 보간을 이용하여 주변온도 변화에 대해 안정적으로 동작하는 실시간 출력보상 알고리듬을 제안한다. 이 때 최초 참조면은 FPA 온도에 관계없이 광학 대물부 덮개, 손바닥, 벽면, 하늘 등을 활용할 수 있다.
제안된 TEC-less 알고리듬을 시뮬레이션 하였다. 결과 영상의 시인성과 상대비교를 위하여 후처리로는 일반적인 열상처리 과정에서 포함되는 불량화소 대체와 평탄평활화(Plateau equalization) 과정을 거쳐서 8 bit 명암도 영상으로 변환하여 전시하였다.
추가적으로 실험내용 정량적인 분석을 위하여 온도별 흑체 영상에 대한 시간 경과 후 RNU(Residual Non -Uniformity) 값 분석을 수행하였다. RNU는 식 (10), (11)과 같이 NUC 후의 영상의 표준편차를 평균으로 나눈 값을 사용한다^[8].
이 때 참조온도 T_C, T_H 는 FPA 온도 0 °C에서 획득한 흑체 20 °C, 30 °C 영상을 이용하였다. 두 번째 및 세 번째 방법은 각각 2차와 3차 다항식 보간 기반의 TEC-less 알고리듬을 적용하여 그 결과를 비교하였다.

대상 데이터

5에서는 온도변화에 따른 검출기 출력 특성을 획득하는 실험 환경을 나타내었다. 온도 챔버 안에 표면온도가 제어 가능한 2개의 흑체 A, B를 타겟으로 이용하여 데이터를 획득한다. 이 때 검출기 FPA 전체면이 각각의 흑체를 바라볼 수 있도록 환경을 구현한다.
본 논문에서는 실험을 위하여 국내에서 제작된 TiOX 계열의 17 μm 피치 QVGA급 마이크로볼로메터 타입의 비냉각 검출기를 사용하였으며, 검출기의 기본 제원은 Table 1과 같다.
결과 영상의 RNU 값은 작을수록 NUC 결과가 양호함을 나타내며, 시험에서는 각 온도별로 획득한 20 °C 흑체 영상을 이용하였다.
실험에서 FPA 온도 0 °C, 흑체온도 20 °C 영상은 Method 1에서 이득을 계산하기 위한 TC 참조영상으로 사용하였으며, FPA온도 20 °C, 흑체온도 20 °C 영상은 모든 방법에서 참조면 영상으로 모의하여 사용하였으므로 비교에서 제외하였다.
이 때 참조온도 TC, TH 는 FPA 온도 0 °C에서 획득한 흑체 20 °C, 30 °C 영상을 이용하였다.

데이터처리

본 논문에서는 현재 국내 개발 중인 17 μm 피치급 TEC-less 비냉각 열상검출기를 활용하여 실험실 환경에서 열상 검출기의 출력특성을 분석하였다. 분석한 데이터를 기반으로 주기적인 셔터 사용 없이 한번의 옵셋 보상을 통해 장시간 영상품질을 유지할 수 있는 TEC-less 열상처리 알고리듬을 설계하고 구현하였으며, 실험을 통해서 성능을 분석하였다. 논문의 전체 구성은 다음과 같다.
해당 검출기를 적용하여 제작한 광학계를 포함한 열상 모듈을 Fig. 5와 같은 시험 환경을 구축하여 데이터를 추출하여 특성을 분석하였다. 검출기의 아날로그 출력은 14 bit로 양자화해서 획득하고, 다항식 계수 추정은 최소제곱(Least squares)법을 이용하는 Matlab 함수를 활용하였다.
5와 같은 시험 환경을 구축하여 데이터를 추출하여 특성을 분석하였다. 검출기의 아날로그 출력은 14 bit로 양자화해서 획득하고, 다항식 계수 추정은 최소제곱(Least squares)법을 이용하는 Matlab 함수를 활용하였다. 제안된 TEC-less 알고리듬을 시뮬레이션 하였다.

이론/모형

검출기의 아날로그 출력은 14 bit로 양자화해서 획득하고, 다항식 계수 추정은 최소제곱(Least squares)법을 이용하는 Matlab 함수를 활용하였다. 제안된 TEC-less 알고리듬을 시뮬레이션 하였다. 결과 영상의 시인성과 상대비교를 위하여 후처리로는 일반적인 열상처리 과정에서 포함되는 불량화소 대체와 평탄평활화(Plateau equalization) 과정을 거쳐서 8 bit 명암도 영상으로 변환하여 전시하였다.

성능/효과

결과에서와 같이 고정이득과 옵셋을 사용하는 경우에 FPA 온도가 참조값 획득온도로 사용한 0 °C에서 멀어질수록 RNU 값이 급격히 증가됨을 알 수 있으며, 제안한 다항식 보간 기반의 계수추정 방법을 사용하는 경우 RNU가 전 온도구간에 걸쳐 안정적으로 유지되고 있음을 볼 수 있다.
실험 결과에서 첫 번째 방법은 기존의 TEC가 있는 비냉각형 열상 검출기에서 사용하는 일반적인 고정이득 및 옵셋을 적용한 결과이다. 이 때 참조온도 T_C, T_H 는 FPA 온도 0 °C에서 획득한 흑체 20 °C, 30 °C 영상을 이용하였다.
본 논문에서는 소형, 저전력 무기체계에 활용 가능한 다항식 기반의 실시간 TEC-less 열상처리 알고리듬을 제안하고, 실험을 통해서 영상품질을 분석하였다. 실험결과에서 제안한 알고리듬을 적용한 경우 최초 보정 후 시간 경과에 따른 FPA 온도 변화에도 열화 없이 우수한 영상품질을 유지함을 정량적인 분석을 통하여 확인하였다. 본 논문에서는 실험에 사용한 검출기의 반응 특성을 고려하여 3차 다항식을 적용한 경우에 더욱 좋은 결과를 나타내었다.
실험결과에서 제안한 알고리듬을 적용한 경우 최초 보정 후 시간 경과에 따른 FPA 온도 변화에도 열화 없이 우수한 영상품질을 유지함을 정량적인 분석을 통하여 확인하였다. 본 논문에서는 실험에 사용한 검출기의 반응 특성을 고려하여 3차 다항식을 적용한 경우에 더욱 좋은 결과를 나타내었다.
제안한 알고리듬은 연산을 위한 조건문이나, 분기문이 필요하지 않고 덧셈과 곱셈으로 이루어져 있어 실시간 구현이 용이하다. 다만, 다항식의 차수가 올라갈수록 지수의 거듭제곱 계산에 의한 메모리 및 연산량이 증대되므로, 검출기의 특성을 충분히 분석하여 소형화 장비의 목적에 따라 최적화된 추정 방법을 적용하여야 한다.

후속연구

. 또한 경계강조, 패턴잡음 제거 등의 후처리 영상개선 알고리듬이 추가적으로 적용될 수 있다.
제안한 알고리듬은 연산을 위한 조건문이나, 분기문이 필요하지 않고 덧셈과 곱셈으로 이루어져 있어 실시간 구현이 용이하다. 다만, 다항식의 차수가 올라갈수록 지수의 거듭제곱 계산에 의한 메모리 및 연산량이 증대되므로, 검출기의 특성을 충분히 분석하여 소형화 장비의 목적에 따라 최적화된 추정 방법을 적용하여야 한다.
향후, 제안된 기법은 국방 분야의 비냉각 검출기를 활용하는 소형 사격통제장치, 휴대형 감시장비와 같은 무기체계 뿐만 아니라 자동차, 스마트폰 등 민수분야의 소형, 저전력을 요구하는 다양한 분야의 열상 응용에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TEC-less 검출기의 단점은?	기존의 비 냉각 형 열상검출기는 내부에 TEC(Thermal Electric Cooler)를 탑재하여 상온 수준으로 검출기 센서면의 온도 제어가 요구되었지만 최근 비 냉각 열상 센서 중 온도 제어 기능이 별도로 필요하지 않은 TEC-less 검출기가 개발되어 소형화, 저 전력화 측면에서 휴대형 장비에 활용범위를 더욱 넓히고 있는 추세이다[3]. 그러나 TEC-less 검출기는 검출기 주변 온도에 따른 셀 출력 특성 변화를 실시간으로 보정하지 않으면, 시간에 따른 열상의 품질 저하가 많이 발생하는 단점이 있다.
	기존의 TEC-less 알고리즘이 갖고 있는 단점은?	기존의 TEC-less 알고리즘은 시스템 내의 셔터 구조를 이용한 주기적 보상 방법과 복수 개의 참조 온도 점에 대한 선형 보간을 이용하는 방법 등이 활용되었다[4]. 그러나 선형 보간을 이용하는 방법에서 오차는 실제 출력 특성의 비선형 정도와 참조 점의 간격에 의해 결정되는 단점이 있다.
	불 균일 보정 알고리즘이란?	불 균일 보정 알고리즘은 검출기의 모든 셀의 응답 특성이 하드웨어적으로 동일하게 제작되기 어려우므로, 별도의 영상처리 과정을 통하여 셀 간의 응답 특성을 동일하도록 만들어주는 과정이다. 일반적으로 Fig.

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