紅外焦平面探測(cè)器成像中的重影現(xiàn)象

李 娟,馮 帥,馬 靜,劉興新

(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)

1 引 言

紅外焦平面陣列(infrared focal plane array,IRFPA)作為熱成像系統(tǒng)的核心部件,已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)視、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)、火控、夜視、光電對(duì)抗、遙感等各個(gè)軍事領(lǐng)域[1]。它具有抗干擾能力強(qiáng),作戰(zhàn)隱蔽性好、生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2],能較全面地滿足軍事應(yīng)用上的各種需求。

紅外焦平面探測(cè)器由于制作工藝復(fù)雜、技術(shù)條件受限,還存在很多遺留問(wèn)題,需要進(jìn)一步攻關(guān)解決。在對(duì)一款256×256中波紅外焦平面探測(cè)器成像系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)了一種新的成像重影現(xiàn)象,該現(xiàn)象在目標(biāo)較小(點(diǎn)源目標(biāo))時(shí)表現(xiàn)為連續(xù)的周期性重影,在目標(biāo)較大(十字叉絲)時(shí)表現(xiàn)為連續(xù)的拖尾,如圖1所示。成像重影嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量,特別是探測(cè)微弱目標(biāo)時(shí),對(duì)于目標(biāo)的識(shí)別和捕獲會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。由于紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要對(duì)重影進(jìn)行深入分析才能找到重影的成因。

圖1 重影現(xiàn)象圖Fig.1 The map of Multi-Shadow

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步分析成像重影的成因并確定重影的真正來(lái)源,搭建了專(zhuān)用紅外焦平面點(diǎn)源實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖2所示。紅外點(diǎn)源黑體發(fā)出的點(diǎn)光源,通過(guò)紅外鏡頭聚焦于探測(cè)器光敏元上,調(diào)節(jié)紅外點(diǎn)源黑體、鏡頭及探測(cè)器之間的距離,可使光斑最小限度地會(huì)聚于探測(cè)器光敏元上,紅外點(diǎn)源黑體光斑能量和直徑可調(diào)。紅外測(cè)試系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)控制模塊、采集模塊以及計(jì)算機(jī)三個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)控制模塊向探測(cè)器提供所需的偏置電壓和時(shí)序脈沖信號(hào),探測(cè)器在這些電壓和信號(hào)的作用下使能,產(chǎn)生輸出信號(hào),并由測(cè)試系統(tǒng)中的采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集。計(jì)算機(jī)完成對(duì)信號(hào)的成像及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。示波器用來(lái)檢測(cè)探測(cè)器輸出的電壓波形信號(hào)。

圖2 紅外焦平面點(diǎn)源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 The IRFPA point source experiment platform

實(shí)驗(yàn)中,逐漸升高點(diǎn)源黑體的溫度,當(dāng)黑體到達(dá)一定溫度(目標(biāo)接近飽和)后,在目標(biāo)兩側(cè)出現(xiàn)連續(xù)周期性的重影,目標(biāo)左側(cè)重影延續(xù)于右側(cè)重影的下一行出現(xiàn),且重影有逐漸減弱的趨勢(shì),如圖3(a)所示。重影與目標(biāo)相似,并逐次減弱。目標(biāo)右側(cè)第一個(gè)重影表現(xiàn)為亮斑,灰度值高于背景灰度,其余重影表現(xiàn)為暗斑,灰度值低于背景灰度。

對(duì)目標(biāo)信號(hào)所在的整行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以看出目標(biāo)、亮斑、暗斑以及背景的灰度值分布,如表1所示,其中圖像灰度值范圍為0～16383。目標(biāo)碼值為14067,接近于飽和碼值,第一個(gè)重影碼值為6075,比背景碼值高出大致600個(gè)碼值,在圖像中表現(xiàn)為亮斑。其余周期性重影碼值大致在5376,比背景低30個(gè)碼值,在圖像中表現(xiàn)為暗斑。目標(biāo)信號(hào)所在行成像灰度曲線如圖3(b)所示。對(duì)圖3(b)中的暗斑重影數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)重影相隔4個(gè)像元周期出現(xiàn),如圖3(c)所示,圖中低電平為重影碼值。

圖3 重影數(shù)據(jù)特性圖Fig.3 The data characteristics of the Multi-Shadow 表1 目標(biāo)信號(hào)行灰度值 Tab.1 The gray value of the target signal

名稱(chēng)圖像灰度值目標(biāo)14067第一個(gè)重影(亮斑)6075周期性重影(暗斑)5376背景5400

3 機(jī)理分析

此款256×256中波紅外探測(cè)器組件由混成芯片、微型杜瓦和斯特林制冷機(jī)三大部分組成,如圖4所示。紅外焦平面探測(cè)器是基于光電轉(zhuǎn)換原理工作的,它的主要功能是把光學(xué)系統(tǒng)接收的目標(biāo)紅外輻射(熱輻射)進(jìn)行濾光、積分、存貯、轉(zhuǎn)移、放大等光電轉(zhuǎn)換處理,形成可檢測(cè)的電壓信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度探測(cè)。

圖4 256×256中波紅外探測(cè)器組件構(gòu)成Fig.4 The composition of the medium-wave IRFPA with 256×256 mode

整個(gè)紅外成像系統(tǒng)包括外部光學(xué)鏡頭、紅外焦平面探測(cè)器以及成像測(cè)試系統(tǒng)。從光學(xué)成像特性可知,光學(xué)畸變不可能會(huì)出現(xiàn)連續(xù)間隔且成雙行的重影,故排除光學(xué)鏡頭的影響。紅外焦平面探測(cè)器及成像測(cè)試系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生成像重影的可能原因有：紅外焦平面探測(cè)器芯片光敏元的光串?dāng)_、電串?dāng)_、紅外焦平面探測(cè)器的讀出電路以及成像測(cè)試系統(tǒng)。光串?dāng)_是由于進(jìn)入探測(cè)器中某一光敏元的光信號(hào)產(chǎn)生了反射、斜入射、衍射等效應(yīng)導(dǎo)致光信號(hào)進(jìn)入了相鄰的光敏元而產(chǎn)生的。電串?dāng)_則是由于在耗盡區(qū)下方產(chǎn)生的電荷,在向上擴(kuò)散進(jìn)入耗盡區(qū)之前,有一定的幾率發(fā)生橫向擴(kuò)散進(jìn)入相鄰像素區(qū)域,被相鄰區(qū)域收集[3]。從光串?dāng)_和電串?dāng)_的機(jī)理來(lái)分析,二者都只是引起相鄰像素產(chǎn)生串?dāng)_,其實(shí)際成像拖尾圖如圖5所示。從重影的成像特性來(lái)看,光串?dāng)_和電串?dāng)_造成的成像特性不可能呈現(xiàn)圖3所示周期性的特性,故可排除光串?dāng)_和電串?dāng)_的影響。

圖5 光串?dāng)_和電串?dāng)_成像拖尾圖Fig.5 The map of optical crosstalk and electrical crosstalk

成像測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試電路板和成像采集系統(tǒng)。其與探測(cè)器連接的示意圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中將探測(cè)器直接輸出信號(hào)和探測(cè)器經(jīng)過(guò)測(cè)試電路板的輸出信號(hào)進(jìn)行采集與比對(duì),結(jié)果如圖7所示。

圖6 原成像測(cè)試電路與探測(cè)器連接圖Fig.6 The connection of the original test circuit and the detector

圖7 測(cè)試電路板前端和后端輸出信號(hào)Fig.7 The output of the test circuit board front-end and backend

圖7中,測(cè)試電路板前端的信號(hào)符合設(shè)計(jì)輸出要求,信號(hào)輸出正常,因此排除探測(cè)器讀出電路和整個(gè)探測(cè)器的原因。而測(cè)試電路板后端的輸出信號(hào)的上升和下降沿被拉長(zhǎng)且信號(hào)出現(xiàn)了震蕩。分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生形式可知,這是由于測(cè)試電路板與成像采集系統(tǒng)阻抗不匹配和測(cè)試電路板帶寬不夠造成的。更改測(cè)試電路板設(shè)計(jì),如圖8所示。測(cè)試電路更改后,再次進(jìn)行輸出信號(hào)采集和系統(tǒng)成像,測(cè)試電路板后端輸出未出現(xiàn)圖7所示信號(hào)被拉長(zhǎng)和震蕩的現(xiàn)象,輸出信號(hào)符合要求,示波器輸出如圖9所示。同時(shí),通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)源目標(biāo)成像,目標(biāo)后未出現(xiàn)重影,如圖10所示。至此,可確定重影是由于測(cè)試電路板造成的。

圖8 更改后的測(cè)試電路Fig.8 The modified test circuit

圖9 測(cè)試電路板后端輸出圖Fig.9 The output of the test circuit backend

圖10 更改后的測(cè)試電路板成像效果Fig.10 The image of the modified test circuit

4 結(jié) 論

本文以紅外熱成像系統(tǒng)成像中出現(xiàn)的重影現(xiàn)象為基礎(chǔ),搭建了專(zhuān)用紅外焦平面點(diǎn)源實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析了成像重影的特性,并逐一排查和推導(dǎo)了成像重影的成因,最終驗(yàn)證了重影是由于成像系統(tǒng)中測(cè)試電路板與成像采集系統(tǒng)阻抗不匹配以及測(cè)試電路板帶寬不夠造成的。通過(guò)更改測(cè)試電路,消除了這種重影現(xiàn)象。同時(shí),由于成像重影中出現(xiàn)的重影與目標(biāo)碼值差別較大,也可在后續(xù)圖像處理算法中提高算法門(mén)限來(lái)進(jìn)行消除。

參考文獻(xiàn)：

[1] YING Chengping.A study of crosstalk measurement technologies of IRFPA[J].Metroloyy & Measurement Technology,2006,26(2):24-28.(in Chinese)

應(yīng)承平.紅外焦平面陣列串音測(cè)試技術(shù)研究[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2006,26(2):24-28.

[2] LIU Jing,WANG Xia,et al.Crosstalk model based on neighboring elements for small element IRFPA[J].Journal of Electronics & Information Technology,2011,33(9):2231-2235.(in Chinese)

劉敬,王霞,等.一種基于鄰域的小像元紅外焦平面陣列串音測(cè)試方法[J].電子信息學(xué)報(bào),2011,33(9):2231-2235.

[3] SU Lin,HUANG Qiyu.Crosstalk in CMOS image sensor and itssolution[J].Transducer and Microsystem Technologies,2008,27(8):65-68.(in Chinese)

蘇林,黃其煜.CMOS 圖像傳感器中的串?dāng)_與常用解決方案[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(8):65-68.

[4] ZHANG Zhen,ZHOU Menglian,et al.Entirely saturated unilateral smear of laser spot in CCD[J].High Power Laser and Partical Beams,2013,25(6):1351-1353.(in Chinese)

張震,周孟蓮,等.CCD中激光光斑的全飽和單側(cè)拖尾現(xiàn)象[J].強(qiáng)激光與粒子束,2013,25(6):1351-1353.