紅外焦平面探測器成像中的重影現象

李 娟,馮 帥,馬 靜,劉興新

(華北光電技術研究所,北京100015)

1 引 言

紅外焦平面陣列(infrared focal plane array,IRFPA)作為熱成像系統的核心部件,已被廣泛應用于監視、識別、跟蹤、制導、火控、夜視、光電對抗、遙感等各個軍事領域[1]。它具有抗干擾能力強,作戰隱蔽性好、生存能力強等優點[2],能較全面地滿足軍事應用上的各種需求。

紅外焦平面探測器由于制作工藝復雜、技術條件受限,還存在很多遺留問題,需要進一步攻關解決。在對一款256×256中波紅外焦平面探測器成像系統進行實驗時,發現了一種新的成像重影現象,該現象在目標較小(點源目標)時表現為連續的周期性重影,在目標較大(十字叉絲)時表現為連續的拖尾,如圖1所示。成像重影嚴重影響圖像的質量,特別是探測微弱目標時,對于目標的識別和捕獲會產生嚴重的干擾。由于紅外焦平面探測器結構復雜,需要對重影進行深入分析才能找到重影的成因。

圖1 重影現象圖Fig.1 The map of Multi-Shadow

2 實驗分析

為了進一步分析成像重影的成因并確定重影的真正來源,搭建了專用紅外焦平面點源實驗平臺,如圖2所示。紅外點源黑體發出的點光源,通過紅外鏡頭聚焦于探測器光敏元上,調節紅外點源黑體、鏡頭及探測器之間的距離,可使光斑最小限度地會聚于探測器光敏元上,紅外點源黑體光斑能量和直徑可調。紅外測試系統主要包括驅動控制模塊、采集模塊以及計算機三個部分。驅動控制模塊向探測器提供所需的偏置電壓和時序脈沖信號,探測器在這些電壓和信號的作用下使能,產生輸出信號,并由測試系統中的采集模塊進行信號采集。計算機完成對信號的成像及后續的數據處理。示波器用來檢測探測器輸出的電壓波形信號。

圖2 紅外焦平面點源實驗平臺Fig.2 The IRFPA point source experiment platform

實驗中,逐漸升高點源黑體的溫度,當黑體到達一定溫度(目標接近飽和)后,在目標兩側出現連續周期性的重影,目標左側重影延續于右側重影的下一行出現,且重影有逐漸減弱的趨勢,如圖3(a)所示。重影與目標相似,并逐次減弱。目標右側第一個重影表現為亮斑,灰度值高于背景灰度,其余重影表現為暗斑,灰度值低于背景灰度。

對目標信號所在的整行數據進行分析,可以看出目標、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。目標碼值為14067,接近于飽和碼值,第一個重影碼值為6075,比背景碼值高出大致600個碼值,在圖像中表現為亮斑。其余周期性重影碼值大致在5376,比背景低30個碼值,在圖像中表現為暗斑。目標信號所在行成像灰度曲線如圖3(b)所示。對圖3(b)中的暗斑重影數據進一步分析,發現重影相隔4個像元周期出現,如圖3(c)所示,圖中低電平為重影碼值。

圖3 重影數據特性圖Fig.3 The data characteristics of the Multi-Shadow 表1 目標信號行灰度值 Tab.1 The gray value of the target signal

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

3 機理分析

此款256×256中波紅外探測器組件由混成芯片、微型杜瓦和斯特林制冷機三大部分組成,如圖4所示。紅外焦平面探測器是基于光電轉換原理工作的,它的主要功能是把光學系統接收的目標紅外輻射(熱輻射)進行濾光、積分、存貯、轉移、放大等光電轉換處理,形成可檢測的電壓信號,從而實現對目標的高精度探測。

圖4 256×256中波紅外探測器組件構成Fig.4 The composition of the medium-wave IRFPA with 256×256 mode

整個紅外成像系統包括外部光學鏡頭、紅外焦平面探測器以及成像測試系統。從光學成像特性可知,光學畸變不可能會出現連續間隔且成雙行的重影,故排除光學鏡頭的影響。紅外焦平面探測器及成像測試系統中能夠產生成像重影的可能原因有：紅外焦平面探測器芯片光敏元的光串擾、電串擾、紅外焦平面探測器的讀出電路以及成像測試系統。光串擾是由于進入探測器中某一光敏元的光信號產生了反射、斜入射、衍射等效應導致光信號進入了相鄰的光敏元而產生的。電串擾則是由于在耗盡區下方產生的電荷,在向上擴散進入耗盡區之前,有一定的幾率發生橫向擴散進入相鄰像素區域,被相鄰區域收集[3]。從光串擾和電串擾的機理來分析,二者都只是引起相鄰像素產生串擾,其實際成像拖尾圖如圖5所示。從重影的成像特性來看,光串擾和電串擾造成的成像特性不可能呈現圖3所示周期性的特性,故可排除光串擾和電串擾的影響。

圖5 光串擾和電串擾成像拖尾圖Fig.5 The map of optical crosstalk and electrical crosstalk

成像測試系統包括測試電路板和成像采集系統。其與探測器連接的示意圖如圖6所示。實驗中將探測器直接輸出信號和探測器經過測試電路板的輸出信號進行采集與比對,結果如圖7所示。

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

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

圖7中,測試電路板前端的信號符合設計輸出要求,信號輸出正常,因此排除探測器讀出電路和整個探測器的原因。而測試電路板后端的輸出信號的上升和下降沿被拉長且信號出現了震蕩。分析數據產生形式可知,這是由于測試電路板與成像采集系統阻抗不匹配和測試電路板帶寬不夠造成的。更改測試電路板設計,如圖8所示。測試電路更改后,再次進行輸出信號采集和系統成像,測試電路板后端輸出未出現圖7所示信號被拉長和震蕩的現象,輸出信號符合要求,示波器輸出如圖9所示。同時,通過系統進行點源目標成像,目標后未出現重影,如圖10所示。至此,可確定重影是由于測試電路板造成的。

圖8 更改后的測試電路Fig.8 The modified test circuit

圖9 測試電路板后端輸出圖Fig.9 The output of the test circuit backend

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

4 結 論

本文以紅外熱成像系統成像中出現的重影現象為基礎,搭建了專用紅外焦平面點源實驗平臺,分析了成像重影的特性,并逐一排查和推導了成像重影的成因,最終驗證了重影是由于成像系統中測試電路板與成像采集系統阻抗不匹配以及測試電路板帶寬不夠造成的。通過更改測試電路,消除了這種重影現象。同時,由于成像重影中出現的重影與目標碼值差別較大,也可在后續圖像處理算法中提高算法門限來進行消除。

參考文獻：

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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試方法[J].電子信息學報,2011,33(9):2231-2235.

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