線列TDI型紅外探測器組件壞元替代方法

郭 亮,李冬冰,楊 微,石 綱,孫玉杰

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

·紅外技術(shù)及應(yīng)用·

線列TDI型紅外探測器組件壞元替代方法

郭 亮,李冬冰,楊 微,石 綱,孫玉杰

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

國產(chǎn)線列TDI型紅外探測器組件在紅外系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛,但由于加工材料和制造工藝等因素的影響,探測器組件存在壞元,將造成圖像質(zhì)量下降,圖像灰度分布失真,進(jìn)而影響紅外系統(tǒng)的性能。本文介紹了576×6 線列TDI型紅外探測器組件的讀出電路壞元替代方法,采用該方法可進(jìn)行線列TDI型紅外探測器組件通道內(nèi)的壞元替代,提高圖像質(zhì)量。

TDI;紅外探測器;探測器盲元

1 引 言

紅外探測器以全天候觀測的優(yōu)勢在天文觀測、紅外遙感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。基于第二代焦平面探測器的高性能熱成像系統(tǒng)成為各國尤其是美國、英國、法國等軍事技術(shù)發(fā)展和武器裝備的重點。其中線列紅外探測器技術(shù)的發(fā)展尤為引人注目[2]。目前已廣泛應(yīng)用于便攜式地空導(dǎo)彈(以美國的“紅眼睛”導(dǎo)彈為代表)、反艦導(dǎo)彈(以前蘇聯(lián)P-15導(dǎo)彈為代表)以及中低空防空導(dǎo)彈(美國“海麻雀”改型RIM-7R為代表)等武器系統(tǒng)中,并成為高性能第二代熱成像系統(tǒng)選用的主要探測器類型之一[3]。

隨著紅外成像設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,人們對其成像質(zhì)量也提出了越來越高的要求。但由于制造工藝、材料等因素的影響,線列掃描型紅外焦平面探測器組件不可避免地存在著壞元、非均勻性等問題。

線列掃描型紅外探測器組件種類較多,本文闡述了一種典型的576×6線列TDI型紅外探測器組件的基本工作原理,提出了576×6線列TDI型紅外探測器組件壞元問題,并給出了原因以及相應(yīng)的解決辦法,最后給出結(jié)論。同時,此方法可推廣到同樣具備此項功能的國產(chǎn)1024×6TDI型紅外探測器組件以及法國Sofradir公司的480×6紅外探測器組件。

2 576×6線列TDI型紅外探測器組件壞元問題

576×6線列TDI型紅外探測器組件由探測器混成芯片、微型杜瓦以及線性斯特林制冷機(jī)構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 576×6線列TDI型紅外探測器組件構(gòu)成

由于加工材料和制造工藝等因素的影響,實際使用的576×6線列TDI型紅外探測器組件存在壞元。壞元包含盲元和閃元,盲元是指響應(yīng)較弱或電平與其他像元差異較大的像元[4]。閃元是指在一定的時間范圍內(nèi),探測器組件像元輸出電平波動較大的像元。在圖像中會表現(xiàn)為面對均勻背景時的輸出電平發(fā)生明暗變化。

壞元將造成圖像質(zhì)量下降,圖像灰度分布失真,噪聲增大,進(jìn)而影響紅外系統(tǒng)的探測及跟蹤精度[5]。尤其在線列型紅外探測器組件使用過程中,某一通道的壞元將使掃描圖像中的整列(或整行)輸出電平不穩(wěn)定,噪聲增加,極大的影響了紅外系統(tǒng)的圖像質(zhì)量。

3 576×6線列TDI型紅外探測器組件壞元替代

3.1 讀出電路功能原理

3.1.1 讀出電路基本構(gòu)成

576×6線列TDI型紅外探測器組件的讀出電路是基于硅基 CMOS技術(shù)。讀出電路使得焦平面陣列(FPA)通過直接注入方式對光電二極管的信號進(jìn)行采集、存儲、延時積分,并進(jìn)行信號傳輸及讀出。

576×6線列TDI型紅外探測器組件的讀出電路包含光伏二極管的輸入級、6個像元組成的TDI通道等。信號從輸入級采集并傳輸?shù)较鄳?yīng)的TDI級。每個通道的前5個像元各有3級TDI存儲器(或位),第6個像元有1級TDI存儲器,整個通道有16級TDI存儲器。圖2所示為576×6線列TDI型紅外探測器讀出電路原理圖。

圖2 576×6線列TDI型紅外探測器組件讀出電路原理圖

TDI存儲器在三個連續(xù)模擬轉(zhuǎn)換后,信號被加到相鄰?fù)ǖ捞綔y元的采樣信號中,且每個像元的增益自動調(diào)節(jié)來確保適當(dāng)?shù)男盘栞敵觥ＴO(shè)t為時間,T為一個周期,Si為像元i的輸出電壓信號,S6為第六級TDI的信號電壓,有:

S6(t)=1/6×[S6(t)+ S5(t-3T)+ S4(t-6T)+ S3(t-9T)+ S2(t-12T)+ S1(t-15T)]

在不進(jìn)行任何替代的情況下,576×6線列TDI紅外探測器組件的輸出為576個通道,其中每個通道的6個像元經(jīng)過TDI處理后輸出。

3.1.2 串行接口控制

576×6線列TDI紅外探測器組件的讀出電路除常規(guī)輸出模式外,還具有數(shù)字串行控制字管腳,名稱為SERDAT。

SERDAT是在每一幀中,加載到控制寄存器的串行輸入數(shù)據(jù)。像元編程也通過該控制寄存器來完成。其定義如表1所示。SERDAT包含30位控制寄存器,用來建立和保持對芯片的配置。

表1 串行接口控制SERDAT管腳的定義

1.CNT

為串行接口控制使能位:高電平時,其允許GAIN3、GAIN2、GAIN1、DIR、BYPAS2、BYPAS1及SELECT等7個寄存器寫入低電平時,鎖存上述寄存器,寄存器保持狀態(tài),直到CNT變?yōu)楦唠娖健?/p>

2.Gain3、Gain2、Gain1

調(diào)節(jié)探測器組件的輸出增益。

3.DIR、BYPAS2、BYPAS1

DIR、BYPAS2、和BYPAS1用于單列尋址模式,單列尋址模式時,TDI寄存器被短路,通過DIR,BYPAS1及BYPAS2位的編碼每個通道內(nèi)的像元能夠獨立定位。在TDI模式運行時,BYPAS2、和BYPAS1必須置0,單列尋址模式僅為一種測試模式。單列尋址模式如表2所示。

表2 單列尋址模式的串口配置數(shù)據(jù)

4.SELECT

SELECT為像元選擇寄存器,高電平時,選擇所有的像元,通常陣列復(fù)位時所有像元都會被選擇。低電平時,允許像元替代。

5.PGM

PGM為像元地址編程使能寄存器,高電平時,允許數(shù)據(jù)寫入,來選擇或不選擇地址字所指向的地址。低電平時,不能進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。

如果SELECT及PGM位同時為1,輸出無效。

6.12位數(shù)據(jù)字

576×6線列TDI紅外探測器組件由一個奇數(shù)通道和緊鄰的偶數(shù)通道組成一個12位數(shù)據(jù)字,數(shù)據(jù)字的每位與一個像元對應(yīng)。如圖3所示。

圖3 12位數(shù)據(jù)字對應(yīng)一個奇通道和一個偶通道

相應(yīng)位上為1,表示選擇該像元,為0則替代該像元。12位中的第一位與奇數(shù)通道的最左邊像元相對應(yīng),12位中最后一位與緊鄰的偶數(shù)通道的最右邊像元相對應(yīng)。

7.9位地址字

地址字分為兩個部分,其中高三位的<8><7><6>對像元塊進(jìn)行地址編碼。低6位<5><4><3><2><1><0>對像元塊中的列(2個連續(xù)的通道)進(jìn)行同時編碼。

表3 高三位像元塊地址編碼

3.2 壞元替代方法

3.2.1 壞元測試方法

為替代576×6線列TDI型紅外探測器組件通道內(nèi)的壞元,需先確定壞元位置。在常規(guī)模式下,576×6線列TDI型紅外探測器組件的輸出僅為576個通道,無法確定通道內(nèi)閃爍像元的位置。因此,在測試576×6線列TDI型紅外探測器組件的壞元時,需采用單列尋址模式進(jìn)行。

表4 低6位像元塊中的列地址編碼

單列尋址模式下,對SEDRAT串行接口進(jìn)行定義,分別對各通道內(nèi)的獨立像元進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 閃元測試系統(tǒng)原理圖

分別對576×6線列TDI型紅外探測器組件的6種尋址模式進(jìn)行測試,每種單列尋址模式下的測試流程如下:

? 編輯單列尋址模式,并使探測器組件工作在單列尋址模式；

? 按GB 17444-2013的方法進(jìn)行盲元計算；

? 面對均勻輻射光源進(jìn)行兩點校正,校正溫度為20 ℃和35 ℃；完成后,面對25 ℃黑體進(jìn)行單點校正；

? 采集50000幀圖像；

? 計算576個像元在50000幀圖像過程中的電平差異,超過校正后像元電平X個ADU的像元記為閃元；

? 盲元和閃元的和即為該單列尋址下576個像元的壞元位置。

? 重復(fù)編輯單列尋址模式,按上述方法采集并計算全部3456個像元,并記錄全部壞元的位置。

3.2.2 壞元替代方法

完成壞元測試后,通過壞元的位置,調(diào)節(jié)SERDAT串行結(jié)構(gòu),進(jìn)行壞元替代。具體替代方法舉例如下。

通過計算發(fā)現(xiàn)第231通道第3元為壞元,增益采用0.84pC(100)。則：

TDI沿+X方向并且從通道5中替代像元2,那么有:

? 編程模式:CNT=1

? 0.84pC:GAIN3=1,GAIN2=0且GAIN1=0

? TDI方向沿+X:DIR=0

? TDI模式:BYPAS2=0且BYPAS1=0

? 替代和寫入:SELECT=0 且PGM=1

于是控制語句為110000001；

? 從奇數(shù)通道中替代像元2 → 12位中的第3位設(shè)為0

于是數(shù)據(jù)字為110111111111；

通道231,對應(yīng)的列為#8。因此,屬于7和8像元塊:<8>=0,<7>=1,<6>=1,列為<5>=0,<4>=0,<3>=1,<2>=0,<1>=0,<0>=0。

于是地址語句為011001000。

最后,SERDAT存儲器編碼應(yīng)為:

110000001110111111111011001000。

對于其他像元替代(不屬于#3列即通道5和6),在下一幀中會重復(fù)相同的程序,只是列地址和像元號不同。

一旦編程完成,為了保留編程狀態(tài),SERDAT必須設(shè)定為邏輯0。

這些編程是不能保持的,每次加電就需重新輸入。

3.3 壞元替代測試結(jié)果

采用上述方法,對576×6線列TDI型紅外探測器組件的壞元進(jìn)行替代。

圖5 壞元替代前后576×6線列TDI型紅外探測器組件的輸出電平圖對比

圖5所示為576×6線列TDI型紅外探測器組件在進(jìn)行壞元替代前后的輸出電平差異,從圖中可以看出,經(jīng)過壞元替代的探測器組件其輸出電平均勻性較好。

圖6 壞元替代前后576×6線列TDI型紅外探測器組件的成像圖對比

圖6所示為校正后的576×6線列TDI型紅外探測器組件在壞元替代前后的成像圖對比。圖中可以看出,在壞元替代后,在圖像中間出現(xiàn)的兩條壞元完全消失,探測器組件的響應(yīng)非均勻性提高,圖像質(zhì)量得到了大幅的提升。

4 結(jié) 論

利用線列TDI型紅外探測器組件的單列尋址和像元替代功能,結(jié)合盲元及閃元測試方法,可將通道內(nèi)的壞元完全去除,有效降低組件的壞元數(shù)量,大幅提升線列TDI型紅外探測器組件的成像效果,提高紅外系統(tǒng)的靈敏度。

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Alternative method of linear TDI infrared detector blind pixel

GUO Liang,LI Dong-bing,YANG Wei,SHI Gang,SUN Yu-jie

(North China Research Institute of Electro-optic,Beijing 100015,China)

The linear TDI infrared detector is widely used in many fields.Due to the influence of some factors such as work materials and manufacturing process,there are blind pixels in infrared detector.Blind pixels will cause image degradation and the distribution distortion of image gray,which affects the performance of infrared system.An alternative method of blind pixel for 576×6 linear TDI infrared detector was introduced.Based on this method,blind pixels in channels of the linear TDI infrared detector can be replaced,which improves the image quality.

TDI；infrared detector；blind Pixel

郭 亮(1983-)，工程師，主要研究方向為紅外焦平面探測器組件測試技術(shù)。E-mail：49436210@qq.com

2014-11-17;

2015-01-21

1001-5078(2015)07-0809-05

TN214

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.016