電阻陣列非均勻測試與校正方法研究

李賾浩,廖守億,張作宇

(火箭軍工程大學(xué)控制科學(xué)與工程系,陜西 西安 710025)

1 引 言

紅外目標(biāo)景象模擬是紅外技術(shù)發(fā)展歷程中的重要產(chǎn)物,隨著國防工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)的進(jìn)步,人們對該技術(shù)提出了越來越高的要求。在紅外成像半實物仿真系統(tǒng)中,紅外目標(biāo)仿真技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一,紅外目標(biāo)模擬器可以將計算機生成的紅外灰度圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號以驅(qū)動紅外投射器件產(chǎn)生紅外熱圖像。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,目前已有多種紅外景象投射器件,如液晶光閥、激光二極管陣列、紅外CRT、電阻陣列、數(shù)字微鏡等等。電阻陣列具有輻射溫度范圍寬、圖像幀頻高、光譜譜帶寬的優(yōu)點,是國內(nèi)目前最符合紅外仿真需求的,也是發(fā)展最快和更有發(fā)展?jié)摿Φ耐渡淦骷?/p>

電阻陣列存在非均勻性的問題,這是影響紅外圖像投射質(zhì)量的重要因素,也是一直以來相關(guān)研究的重點之一,其中澳大利亞防衛(wèi)科技組織在該領(lǐng)域做過大量的研究工作,掌握最前沿的技術(shù)水準(zhǔn),為此后的研究者提供了借鑒和參考。Jones等[1]人于1997年提出了簡化的實時非均勻性校正流程。通過輻射像元響應(yīng)曲線求得校正的偏置值和增益值,并將校正參數(shù)存儲于查找表中,從而實現(xiàn)實時校正。2003年,Brecck Sielinger和James Norman[2]提出基于稀疏網(wǎng)格的測試方法,避免了電阻陣列像元熱串?dāng)_對非均勻測試產(chǎn)生的影響。2005年,Mark H.Bowden和James A.Buford等[3]人提出了一種逆電阻陣列像元響應(yīng)特性測試方法,該方法可以抵消襯底加熱對像元響應(yīng)測試的影響。2012年,SBIRS的Joe LaVeignea等[4]人,采用混合非均勻性校正方法——稀疏網(wǎng)格法(Sparse grid)和全屏測試法(Flood)結(jié)合,對KHILS的MIRAGE H 512×512電阻陣列進(jìn)行了非均勻性校正改進(jìn)研究,校正后非均勻性降至1%以下。總的來說,國外非均勻校正研究起步早,效果明顯,能夠有效減輕測試過程中出現(xiàn)的圖像退化模糊、邊緣效應(yīng)和莫爾條紋等對測試結(jié)果的影響。

國內(nèi)在本世紀(jì)初才首次進(jìn)行了非均勻測試,在國外研究方法的基礎(chǔ)上加以驗證和完善。2004年基于中科院上海技術(shù)物理研究所研制的64×64硅橋電阻陣列,南京理工大學(xué)的沈劍雷[5]對其進(jìn)行了非均勻性測試,并利用對輸入數(shù)據(jù)的修正改善了電阻陣列的非均勻性。2007年西北工業(yè)大學(xué)的張凱[6]對128×128電阻陣列建立了電壓溫度補償數(shù)據(jù)表格,實現(xiàn)了對電阻陣列的修正。近年來,第二炮兵工程大學(xué)的蘇德倫、楊春偉、朱巖等[7-9]人對稀疏網(wǎng)格法和全屏測試法做過原理及方法的描述,比較了二者的優(yōu)缺點,嘗試解決測試中的遺留問題并提出新的測試方法,取得了一定的成果。但是以上方法在校正步驟上不夠細(xì)致,在精度和實用性方面也有待提升。本文詳細(xì)分析了稀疏網(wǎng)格和全屏測試兩種非均勻測試方法,并結(jié)合國產(chǎn)電阻陣列實際情況,提出了兩種改進(jìn)的非均勻校正流程——基于線性插值的校正和基于盲迭代的校正。通過仿真驗證了二者的實效,得到很好地校正效果,提高了非均勻校正方法的實用性。

2 非均勻校正原理

2.1 非均勻性的成因

電阻陣列的發(fā)展經(jīng)歷了薄膜電阻、硅橋電阻、懸浮薄膜電阻,在結(jié)構(gòu)上得到逐步優(yōu)化,性能提升明顯。然而在實際應(yīng)用過程中,其仍存在不可忽視的缺點,即相同的驅(qū)動下,各個電阻輻射元所表現(xiàn)出來的響應(yīng)特性是不相同的,如圖1。橫坐標(biāo)為電壓,縱坐標(biāo)為輻射亮度灰度值。

圖1 像元輻射特性曲線

其成因主要有:

(1)電阻在設(shè)計生產(chǎn)過程中基底材料不均勻、輻射率差異和反射率的不同；

(2)因供電電流較大導(dǎo)致器件地線上電位不均勻引起的總線壓降；

(3)電容維持時間內(nèi)的電壓下降；

(4)動態(tài)運行時,導(dǎo)致的像元周圍襯底的局部溫度過高。

針對以上原因通常采取措施如下:

(1)改善材料和生產(chǎn)工藝；

(2)改善電阻陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

(3)改善驅(qū)動控制器設(shè)計；

(4)改善襯底散熱。

但是電阻陣列因本身材料工藝帶來的非均勻性卻是最難克服的,盡管不斷完善其性能仍難以進(jìn)一步提升。因此非均勻性校正就顯得愈發(fā)重要。

2.2 非均勻校正步驟

非均勻校正,通常是對輻射像元的輸入進(jìn)行校正。首先必須測試出每個像元的響應(yīng),計算輻射亮度與驅(qū)動電壓的關(guān)系并得到校正所用的補償參數(shù),生成數(shù)據(jù)查找表以供在實時校正過程中調(diào)用。非均勻校正一般分為線性化環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。

在以往實驗中,所用電阻陣列的輻射響應(yīng)非線性特征明顯,為選取更少的實驗測試點以降低工作量,減少插值的非線性誤差,在校正時加入線性化環(huán)節(jié)。線性化一般方法是:計算輻射像元的平均響應(yīng)曲線,以其作為該陣列校正時的標(biāo)準(zhǔn)參考曲線,然后求取反函數(shù)來實現(xiàn),如圖2。橫坐標(biāo)為輻射亮度灰度值,縱坐標(biāo)為電壓。

圖2 像元平均響應(yīng)反函數(shù)曲線

經(jīng)過線性化過程處理后,對得到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條曲線擬合可得出如圖3中的近似線性關(guān)系,即是將電壓與輸出輻射亮度的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為平均輸出亮度與各個像元輻射亮度之間的關(guān)系。從其曲線上選取若干個斷點計算線性插值,進(jìn)而獲得校正輸入所用的增益與偏置值以生成查找表數(shù)據(jù)。

圖3 線性化后響應(yīng)曲線

綜上所述,目前廣泛采用的實時校正流程如圖4,圖中Lin為給定輸入,Lcorr為校正后輸入,U為驅(qū)動電壓。

圖4 非均勻校正流程

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 圖像退化

已知校正像元需要測得響應(yīng)曲線,逐一測量是不切實際的,隨著陣列規(guī)模的增大,測試工作往往耗時耗力。又因為探測圖像在形成、記錄、處理、傳輸過程中由于成像系統(tǒng)、記錄設(shè)備、處理方法和傳輸介質(zhì)的不完善會產(chǎn)生的圖像退化,引起電阻元輻射能量在探測器表面的擴(kuò)散,相鄰像元之間輻射能量會部分重疊,給測量結(jié)果帶來誤差,如圖5所示。

圖5 圖像退化

因此為了防止探測像元能量的互相干擾,提高測量效率,便出現(xiàn)了間隔若干像元點亮測試的方法——稀疏網(wǎng)格法。圖像f(x,y)退化的過程可以用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示,h(x,y)表示退化函數(shù),n(x,y)為噪聲:

g(x,y)=f(x,y)*h(x,y)+n(x,y)

(1)

3.2 非均勻測試方法

3.2.1 稀疏網(wǎng)格法

稀疏網(wǎng)格法是避免測試時鄰近像元能量重疊的一種方法,它將電阻陣列平面分成若干網(wǎng)格,每個網(wǎng)格有n×n個像元。每次測試中,僅點亮每個網(wǎng)格中同一位置的像元,這樣能保證每兩個點亮像元成像時能量的擴(kuò)散不會互相干擾,如圖6(a),因此無需獲取點擴(kuò)散情況。在下一輪測試中各網(wǎng)格同時移動點亮的像元位置,直至網(wǎng)格中所有像元測試完為止。此方法雖然工作量較大,但相較于逐個測試效率要高許多,并且能保證精確程度。

圖6 稀疏網(wǎng)格測試法和逆稀疏網(wǎng)格測試法

該方法原理簡單,不用投射像元和探測像元的精確對準(zhǔn),對映射比例沒有嚴(yán)格的要求,魯棒性好。但是存在信噪比差的缺點,當(dāng)驅(qū)動電壓較低的時候容易被環(huán)境噪聲干擾,因此稀疏網(wǎng)格法常用于高壓驅(qū)動的情況。為解決低驅(qū)動信號容易被湮滅的問題,逆稀疏網(wǎng)格法被提出。

逆稀疏網(wǎng)格法的測試恰好與稀疏網(wǎng)格法相反,測試中將網(wǎng)格全部點亮,然后熄滅各個網(wǎng)格中同一位置的像元,通過評估網(wǎng)格中能量的損失來確定該像元的輻射強度,如圖6(b)。逆稀疏網(wǎng)格法解決了低壓影響,也避免的全屏測試法的發(fā)射源輸出互相重疊,導(dǎo)致采樣困難的問題。然而在高壓驅(qū)動時,該測試方法如全屏測試法一樣會因電流過大導(dǎo)致輻射陣列承受不住所給的驅(qū)動電流。并且需要進(jìn)行像元的對準(zhǔn)。因為一旦涉及大面積點亮像元,就不可避免引入條紋干擾,盡可能的像元對準(zhǔn)是必要的。

3.2.2 全屏測試法

Flood法是繼稀疏網(wǎng)格法之后提出的一種有效測試方式。它擁有效率高、準(zhǔn)確度高、實時性好等特點,適合實驗中采用。該方法也存在算法復(fù)雜、需要光學(xué)配準(zhǔn)、容易引入干擾因素的問題[10]。光學(xué)設(shè)備的對準(zhǔn)和驅(qū)動電壓過高都是成為影響其成像質(zhì)量及亮度測量的外在原因。Flood方法的特點是在測量電阻響應(yīng)情況時同時點亮整片區(qū)域,然后可通過逐步迭代,從模糊圖像中提取出非均勻信息并補償非均勻性,使得投射圖像最終趨于預(yù)設(shè)亮度。校正過程中如何處理像元之間的能量重疊以及采樣噪聲的影響是難點。

4 改進(jìn)的非均勻校正方法

4.1 簡化的非均勻校正

結(jié)合正、逆稀疏網(wǎng)格法的特點,高壓區(qū)采用正稀疏網(wǎng)格法,低壓區(qū)采用逆稀疏網(wǎng)格法,恰好避免了二者的測試缺陷。第一節(jié)中已介紹了通用的非均勻校正流程,研究者對于電阻陣列的響應(yīng)曲線特性給出了校正前先線性化的解決辦法。而實際由國內(nèi)自主研發(fā)的電阻陣列的響應(yīng)曲線在對應(yīng)高驅(qū)動、低驅(qū)動區(qū)域非線性程度不高,因此線性化環(huán)節(jié)在校正過程中是可以省去的。這樣則簡化了實時校正過程,提高了運算速度,無需嚴(yán)苛的操作環(huán)境和高性能的硬件設(shè)施。該方法不僅操作簡單,也同樣具備較高的精確度。具體步驟如下:

(1)對陣列進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選取若干個溫度測試點,依次作為輸入信號。在高壓和低壓驅(qū)動時,分別按照正、逆稀疏網(wǎng)格法的測試方式測得每個輻射像元的若干組響應(yīng),經(jīng)過三次樣條擬合成曲線,如圖7所示。橫坐標(biāo)為電壓,縱坐標(biāo)為輻射亮度。

圖7 國產(chǎn)陣列電阻響應(yīng)曲線

(2)省去線性化環(huán)節(jié)后,此時可以對該擬合出的曲線求反函數(shù)并直接進(jìn)行分段線性插值。因其弱非線性,分段點不必選擇過多。低壓部分?jǐn)帱c可選擇較稀疏,隨著電壓增加,相應(yīng)的亮度變化率較快,因此該部分可多分幾段,直到基本能保證一定誤差范圍即可。插值得出的曲線方程如式(2),通過關(guān)系式可得到校正后的電壓值。

(2)

(3)每個輻射像元按照同樣步驟得到校正關(guān)系式,計算各分段亮度范圍內(nèi)的增益和偏置,生成校正查找表存于計算機內(nèi)存。以上步驟均在“線下”完成。

“線上”部分為校正部分,由計算機輸入需要投射的亮度信息,在驅(qū)動電阻前調(diào)用校正查找表。對不同的電阻元,根據(jù)輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)驅(qū)動電壓,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后即可用于驅(qū)動電阻陣列,如圖8,圖中Lin為給定輸入,U為校正后驅(qū)動電壓。

圖8 簡化的非均勻校正流程

4.2 改進(jìn)的線性插值法

盲迭代法是基于Flood方法中最簡單最基本的校正手段,就是在點擴(kuò)散函數(shù)未知的情況下進(jìn)行的一種圖像復(fù)原方式[11]。在理想條件下,它是一種很好的非均勻校正手段。它的使用條件是輻射像元和探測像元能夠1∶1精確對準(zhǔn),從而可以避免莫爾條紋的出現(xiàn)；經(jīng)驗證,當(dāng)映射比大于1.3時,莫爾條紋對校正的影響可以忽略。其迭代原理如圖9所示。

圖9 Flood盲迭代法

探測一幅經(jīng)過退化的紅外圖像u,G為標(biāo)準(zhǔn)輸入灰度圖;以固定噪聲N模擬非均勻信息,h為退化函數(shù):

u=Gout=(G×N)?h

(3)

(4)

非均勻信息提取過程是將本次迭代產(chǎn)生的增益與之前的累乘在一起得到Gnuc,再將此數(shù)據(jù)用于補償輸入:

(5)

但是以上條件的實現(xiàn)比較困難,對實驗儀器環(huán)境要求比較高。為了使得該方法能適用于更普通的情況,則考慮結(jié)合稀疏網(wǎng)格法的測試特點。校正過程如圖10所示。

圖10 改進(jìn)線性插值法

在改進(jìn)的插值法中,數(shù)據(jù)的測試過程用到稀疏網(wǎng)格法的點亮方式和全屏測試法的數(shù)據(jù)處理方式。根據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行的迭代計算,存儲每一個輻射像元的增益值,并以該增益作為輻射輸入的函數(shù)值。測試時根據(jù)能量的彌散程度適當(dāng)選擇網(wǎng)格大小,保證相互之間的間隔使得能量重疊較少又不至于太密。這樣不僅能通過數(shù)次迭代準(zhǔn)確地得到探測數(shù)據(jù),也不要求嚴(yán)格的像元對準(zhǔn),既提高了非均勻校正精度,加快收斂速度,又能減少測量工作量。楊春偉在文獻(xiàn)[12]中也提出了僅間隔單個像元點亮的方式,結(jié)合Flood法的數(shù)據(jù)處理過程得到響應(yīng)曲線,但校正上沿用的是原有插值方法,且該方法隨著彌散增大,像元對準(zhǔn)程度的影響就不可忽略。

當(dāng)“離線”完成好對每個輻射像元的增益計算后,根據(jù)多組數(shù)據(jù)擬合出一條輸入與增益的關(guān)系曲線。數(shù)據(jù)表明,該曲線表示的函數(shù)關(guān)系,近似于原校正方法曲線中的輸入亮度(橫坐標(biāo))和響應(yīng)亮度(縱坐標(biāo))對輸入亮度的商之間的關(guān)系,降低了單位函數(shù)值的變化量,因而更加趨于線性,具有更小的插值誤差。隨著電阻陣列初始非均勻性的增加,效果越明顯。

5 仿真驗證

當(dāng)給定一幀均勻輸入圖像,輻射亮度為65 W/(sr·m2)時,投射圖像校正前如圖11,校正后如圖12和圖13所示。

圖11 校正前投射圖像

圖12 線性插值法校正后投射圖像

圖13 改進(jìn)線性插值法校正后投射圖像

對比校正前后的投射圖,兩種校正方法得出結(jié)果的非均勻性明顯改善。其中原線性插值法對高頻的非均勻性消除效果較好,低空間頻率還殘留陰影。因為進(jìn)行線性插值不可避免的誤差,對本身非均勻程度不高的輻射元來說,校正效果不明顯。而改進(jìn)的線性插值法校正效果整體上要優(yōu)于前者。對比圖12和圖13,可以發(fā)現(xiàn),前者校正后圖像亮度整體偏高,這也是由插值誤差引起的。表1是在相同輸入,不同初始非均勻程度時兩種方法校正水平對比。

表1 殘余非均勻性比較

當(dāng)初始非均勻性低于10%后,校正后的圖像能夠達(dá)到很高的均勻度,像元之間的響應(yīng)差異基本可以忽略。本文介紹的兩種方法均有很高的校正精度,其中改進(jìn)的插值法能實現(xiàn)更小的校正誤差,大大提升了校正水平。

6 結(jié) 論

文中介紹了正、逆稀疏網(wǎng)格法結(jié)合的測試手段,擴(kuò)大了測量范圍,提高了測試精度,加上簡化后的插值校正方式令整個過程更合理可靠。而后提出改進(jìn)插值法作為校正手段,其具有更快的收斂速度和收斂程度。實驗表明,本文對測試和校正所做出的調(diào)整優(yōu)化了工作量,得到精確的校正結(jié)果。今后的工作可以考慮繼續(xù)圍繞優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行,針對各種客觀因素進(jìn)行改進(jìn),從而發(fā)現(xiàn)更具適應(yīng)性的測試與校正方法。