Methods of compensation of microbolometer matriсes self-heating in the processing of thermal images

Abstract

The sources of noise and artifacts arising during thermal imaging and the methods for thermal images filtering, including methods specific for processing of images generated by infrared sensors, are considered. In particular, distortions caused by the process of microbolometrer matrices self-heating due to internal and external heating sources and the methods for compensating such distortions are studied. The purpose of the study is to create a mathematical model of a bolometric matrix self-heating based on heat transfer equations and to develop an algorithm for suppressing of distortions introduced into thermal images by self-heating. The exponential models describing the propagation of heat in the microbolometer matrix are proposed and it is shown that the coefficients of the models after logarithming can be determined by the least squares method. For real thermal images, the coefficients of the model are determined, and situations are considered when the base temperature of the object is known and when it is necessary to restore it, and modifications of the exponential model in the form of an exponent from a complete and incomplete square are proposed. Computer simulation of the proposed distortion compensation algorithm has been carried out, a set of thermal images before and after processing has been presented, and a quantitative estimation of the degree of noise suppression caused by heating of bolometric arrays has been obtained. Based on the results of the work, it was determined that the exponential model provides a sufficient degree of closeness of the experimental and theoretically predicted temperature data, and the degree of difference between the data and the model was estimated. Recommendations are developed for the application of the proposed methods at known and unknown base temperature of the matrix. Proposals have been developed for further improving the mathematical model, including the situation of temperature changes over time, and for improving the efficiency of self-heating noise suppression algorithms.

Розглянуто джерела шумів та артефактів, що виникають при побудові тепловізійних зображень та методи їх фільтрації, у тому числі методи, специфічні для обробки зображень, що формуються датчиками інфрачервоного випромінювання. Зокрема, досліджено спотворення, спричинені процесом самонагріву мікроболометричних матриць, обумовленого внутрішніми та зовнішніми джерелами нагрівання та методи компенсації таких спотворень. Метою дослідження є побудова математичної моделі самонагріву болометричної матриці на основі рівнянь теплопередачі та розробка алгоритму придушення спотворень, що вносяться самонагрівом у тепловізійні зображення. Запропоновано експоненціальні моделі, що описують розповсюдження тепла в мікроболометричнійй матриці, показано, що коефіцієнти моделей після логарифмування можуть бути визначені методом найменших квадратів. Для реальних тепловізійних зображень визначено коефіцієнти моделі, причому розглянуті ситуації, коли базова температура об'єкта відома і коли необхідно її відновлення, а також запропоновані модифікації експоненційної моделі у вигляді експоненти від повного та неповного квадрата. Проведено комп'ютерне моделювання запропонованого алгоритму компенсації спотворень, представлено набір тепловізійних зображень до та після обробки та отримано кількісну оцінку ступеня придушення перешкод, обумовлених нагріванням болометричних матриць. За результатами роботи визначено, що експоненціальна модель забезпечує достатню міру близькості експериментальних та теоретично передбачених температурних даних та оцінено міру розбіжностей між даними та моделлю. Розроблено рекомендації щодо застосування запропонованих методів за відомої та невідомої базової температури матриці. Вироблено пропозиції щодо подальшого уточнення математичної моделі, у тому числі в ситуації зміни температури за часом, та підвищення ефективності алгоритмів придушення перешкод, спричинених самонагріванням.