張 寧，柴孟陽，趙航斌，孫德新,3

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非制冷紅外探測器片上偏壓逐點非均勻性校正方法

張 寧1,2，柴孟陽1，趙航斌1,2，孫德新1,2,3

（1. 中國科學(xué)院紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所啟東光電遙感中心，江蘇 啟東 226200）

針對非制冷紅外焦平面陣列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）成像系統(tǒng)中普遍存在的非均勻性較差的問題，本文提出了一種基于探測器工作偏壓對其輸出影響來進行片上非均勻性校正（Non-uniformity Correction, NUC）的方法——探測器片上偏壓逐點NUC技術(shù)。該方法是在探測器每一個像元關(guān)鍵偏壓VEB和VFID上使用DAC供電，通過在積分前對每個像元的偏壓進行單獨的調(diào)整來校正其信號輸出值。在不影響探測器幀頻的情況下，實現(xiàn)了非均勻性從1.9%降低到0.4%，有效改善了探測器原始信號的非均勻性，且具有很好的實時性。

非制冷紅外探測器；關(guān)鍵偏壓；片上；非均勻性校正

0 引言

微測輻射熱計（Microbolometer）是一種基于熱敏電阻的紅外探測器，其基本原理為光敏元的熱敏材料通過吸收紅外輻射引起自身阻值改變并轉(zhuǎn)化為電信號輸出?；诖思夹g(shù)的非制冷紅外焦平面陣列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）探測系統(tǒng)具有價格低廉、體積小、功耗低、輕便靈活、可靠性高等[1]優(yōu)點，發(fā)展十分迅猛。面陣非均勻性所引起的噪聲是限制非制冷紅外探測器發(fā)展水平的主要因素之一。目前非均勻性校正的軟件處理的方法主要有兩點法、多點法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]等；硬件上有通過在信號調(diào)理電路中增加可編程增益調(diào)制模塊[3]等。這些方法本質(zhì)上都是在對探測器輸出信號進行后處理，對探測器的原始輸出信號并無改善，并且兩點法等軟件處理方法一般實時性較差。近年來，從探測器的特性出發(fā)，利用相關(guān)偏壓對其原始信號進行實時非均勻性校正的新方法越來越受到重視[4]，但是目前此方法的實現(xiàn)文獻中還鮮有報道。

本文從非制冷紅外探測器本身特性出發(fā)，研究了一種新型的非均勻性校正方法，其原理為基于其成像相關(guān)的關(guān)鍵偏壓與信號響應(yīng)之間的關(guān)系特征，通過在探測器像元積分前，使用DAC對探測器每個像元的敏感偏壓進行單獨的調(diào)整來實現(xiàn)非均勻性校正的目的。此外，采用某國產(chǎn)非制冷長波紅外探測器（Uncooled Long-wave Infrared Detector, ULWIR）芯片研制紅外成像系統(tǒng)并驗證此方法的有效性。有別于常用的后處理校正方法，本文提出的方法是基于探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，從根本上改善其輸出信號本身的非均勻性，并可與后續(xù)的信號處理的方法相互完善，對非制冷紅外探測器尤其是國產(chǎn)非制冷紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

1 UIRFPA非均勻性及基于偏壓逐點抑制方法

微測輻射熱計型UIRFPA產(chǎn)生非均勻性的原因有多種，主要包括在制作過程中由于半導(dǎo)體材料不均勻、誤差或者工藝[5]等原因?qū)е赂飨裨柚挡町愐约捌渥x出電路本身的差異等，而襯底溫度變化導(dǎo)致的TCR（熱敏電阻溫度系數(shù)）非線性、像元支撐結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)、發(fā)射率等[6]變化也會惡化其非均勻性。此外，非制冷紅外探測器采用Rolling Shutter模式讀出，如圖1所示，其使用列放大器，探測器輸出時，每一列像元共用同一個列積分放大器及參比偏置，共用部分的細(xì)微差異都很可能會在圖像上體現(xiàn)為列噪聲。

圖1為基于微測輻射熱計技術(shù)的UIRFPA的讀出電路結(jié)構(gòu)圖。其輸出采用非制冷紅外探測器中廣泛使用的CTIA[7]結(jié)構(gòu)，Active為像元敏感元電阻，此電阻接收紅外輻射并且阻值發(fā)生改變，b為參比偏置電阻，int為積分電容，int為積分電流。

圖1 UIRFPA讀出電路結(jié)構(gòu)圖

由像元結(jié)構(gòu)可知其積分電流為：

int()＝b－p()＝(SK－TH_PMOS－EB)/b－(FID－GS_NMOS)/Active() (1)

積分完成后的采樣電壓為：

式(2)可近似為：

其中：

Active()＝0(1＋D) (4)

式中：cons為CTIA反向放大器正輸入端電壓；p()為像元的電流，b為b的電流；FID、EB為MOS管控制柵電壓；TH_PMOS、GS_NMOS為MOS管閾值電壓；SK為b偏置電壓；int為積分時間；0為敏感單元在0溫度下的阻值；為熱敏系數(shù)TCR；D為像元與0的溫差。由上式可以得出，偏壓EB、FID對探測器輸出有極大影響，每個像元的輸出響應(yīng)與偏壓關(guān)系為：

由上式可知，探測器輸出與偏壓FID和EB成正比關(guān)系，當(dāng)FID或EB增大時，探測器輸出增大；當(dāng)其減小時，探測器輸出降低。

如圖1所示，基于偏壓的逐點校正方法通過在每個像元的EB及FID偏壓上集成DAC[8]控制，通過在探測器積分前，逐個調(diào)整每個像元的偏壓值來調(diào)整其輸出響應(yīng)，實現(xiàn)片上非均勻性校正。圖2為進行非均勻性校正前后的非制冷紅外探測器理想輸出信號示意圖，每一個電平都表示一個信號，偏壓逐點校正目標(biāo)就是將每一個像元的信號值都盡量向均值移動，高的調(diào)低偏壓，低的調(diào)高偏壓。其計算公式為如下：

若(,)為有效像元，則：

若(,)為盲元，則DAC指令均為0，即不調(diào)整。

式中：、探測器像元行列數(shù)；為盲元數(shù)；ovag為面陣響應(yīng)均值；(,)為有效像元；Ins為相應(yīng)DAC指令改變數(shù)；VEB(,)和VFID(,)為偏壓控制DAC單位指令影響的每個像元輸出改變步長值；round為取最近的整數(shù)。實際上硬件實現(xiàn)時，其校正精度主要取決于DAC量化精度。

圖2 理想非均勻性校正過程

2 片上非均勻性校正的工程實現(xiàn)

2.1 非制冷紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示為基于國產(chǎn)某型長波非制冷紅外探測器設(shè)計紅外成像系統(tǒng)原理框圖。本系統(tǒng)以Altera cyclone iii FPGA為核心，主要由信號調(diào)理電路、ADC（AD9220，12bit量化，輸入0～5V）、外部flash EPCS16芯片及網(wǎng)口PHY物理層芯片88E1111組成。工作時由FPGA為探測器提供驅(qū)動及配置，使用網(wǎng)口實現(xiàn)硬件電路與上位機軟件間的通訊及圖像數(shù)據(jù)傳輸。提前在外部FLASH芯片中存儲一幀的校正數(shù)據(jù)，并且在系統(tǒng)上電后在FPGA內(nèi)部生成模擬單口ROM存儲這些校正數(shù)據(jù)，然后將每一個像元的校正數(shù)據(jù)讀出并且寫入探測器內(nèi)部集成的DAC。由于數(shù)據(jù)量過大，需要先使用Matlab軟件生成硬件語言Verilog HDL可識別的校正數(shù)據(jù)存儲文件，即.mif文件。

該型UIRFPA內(nèi)部為每一個像元的FID和EB偏壓提供5位量化精度的DAC（外部管腳供電EB為3V，F(xiàn)ID為5V），即每個像元的NUC配置數(shù)據(jù)由5位的EB數(shù)據(jù)和5位的FID數(shù)據(jù)構(gòu)成，一共10位有效數(shù)據(jù)。表1為NUC配置數(shù)據(jù)說明，由于其最高位F為方向位，因此每個偏壓一共有31檔可調(diào)。表1為NUC配置數(shù)據(jù)說明。

圖3 應(yīng)用NUC的ULWIR原理框圖

表1 NUC配置數(shù)據(jù)說明

2.2 邏輯時序控制

如圖4為探測器驅(qū)動邏輯時序簡圖。EB和FID十位數(shù)據(jù)通過SDA2、SDA1、SDA0三根串行數(shù)據(jù)線在每行像元積分前的一個行周期里輸入，每根線輸入4位。此外，SDA0線兼作為幀開始探測器配置數(shù)據(jù)線。在合適的位置，給ROM提供讀使能控制信號和地址，讀出對應(yīng)像元的NUC配置數(shù)據(jù)，并且通過這3根串行配置線寫入探測器內(nèi)部的DAC。其中，探測器主時鐘頻率MC為8MHZ，NUC配置時鐘由于是串行，需要在一個MC周期內(nèi)寫入4位數(shù)據(jù)，其時鐘頻率SCLK為32M，幀頻為50Hz，分辨率384×288，響應(yīng)波長8～14mm。

圖4 探測器驅(qū)動及NUC配置時序簡圖

3 實驗測試與分析

本實驗基于自行設(shè)計的非制冷長波紅外成像系統(tǒng)實現(xiàn)基于偏壓的逐點片上非均勻性校正功能。如圖5所示為相機實物圖及測試環(huán)境。其中測試條件為：積分電容：12.8pF；積分時間：16ms；黑體定標(biāo)溫度：300K（精度0.01K）；TEC探測器制冷溫度為10℃。

圖5 相機實物圖及測試環(huán)境

圖6 輸出隨指令調(diào)節(jié)偏壓VEB關(guān)系圖

圖7 各像元統(tǒng)計直方圖

圖8 輸出隨指令調(diào)節(jié)偏壓VFID關(guān)系圖

圖9 各像元統(tǒng)計直方圖

圖10為其中一行圖像信號非均勻性校正前后的輸出波形圖，可以看到，校正前（圖10(a)）圖像中間部分有一個明顯向下的彎曲弧度，校正后（圖(b)）圖像基本為一平直波形，彎曲弧度基本消失。圖11為面陣黑體定標(biāo)圖像及各像元偏離均值幅值的統(tǒng)計直方圖，其中圖11(a)和(b)為非均勻性校正前的圖像及各像元偏離均值統(tǒng)計直方圖，可以得出，校正前響應(yīng)差異值集中在－140DN～100DN值左右，其偏離均值幅值在偏壓可調(diào)范圍內(nèi)。由于VFID斜率過大，VEB斜率值適中，考慮到提升校正精度，主要通過調(diào)整偏壓EB來實現(xiàn)非均勻性校正。圖11(c)和(d)為非均勻性校正后的圖像及各像元偏離均值統(tǒng)計直方圖，可以得出，校正后響應(yīng)偏離均值幅值集中在－25DN～25DN值左右，較校正前（－140DN～100DN值）有了極大的改善。此外，校正前（圖11(c)）每行的中間區(qū)域響應(yīng)明顯低于兩側(cè)區(qū)域，校正后（圖11(d)）得到明顯改善。

圖12為調(diào)整黑體定標(biāo)溫度后，各定標(biāo)溫度下圖像非均勻性對比，校正后非均勻性從1.9%左右降到0.4%左右，進一步驗證了此方法有效。

圖10 某行圖像數(shù)據(jù)校正前(a)、后(b)輸出波形圖

圖13為成像效果對比，圖13(a)為校正前圖像，圖13(b)為非均勻性校正后圖像，目標(biāo)物體為電烙鐵和熱水?？梢钥吹?，校正后圖像非均勻性得到了明顯的改善。受限于DAC量化精度等影響，仍然存在一定的非均勻性，具備進一步提升空間。

4 結(jié)論

本文研究了微測輻射熱計型非制冷紅外探測器的輸出隨相關(guān)敏感偏壓變化而變化的特點，提出了一種基于片內(nèi)偏壓逐點調(diào)制的非均勻性校正的新方法。并且采用國產(chǎn)某型集成了5位量化DAC控制偏壓的長波非制冷紅外探測器芯片自行設(shè)計紅外成像系統(tǒng)驗證實現(xiàn)了此方法，使非均勻性從1.9%降到了0.4%。本方法相對于傳統(tǒng)信號后處理的非均勻性校正方法，從探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，從硬件上實時改善其原始信號，不影響探測器幀頻，并且可與常用的軟件后處理方法相輔相成。其校正精度受限于實際硬件條件，通過提高DAC的量化位數(shù)可進一步提高量化精度，實現(xiàn)更有效的非均勻性校正功能，還可以實現(xiàn)基于溫度的自校正功能，在無TEC及低功耗非制冷紅外探測器的研制上有很廣闊的應(yīng)用前景。

圖11 定標(biāo)圖像及各像元偏離均值統(tǒng)計直方圖

圖12 不同目標(biāo)溫度下面陣非均勻性

圖13 成像對比

Fig.13 Imaging contrast

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On-chip Bias Point-by-Point Non-uniformity Correction of Uncooled Infrared Detector

ZHANG Ning1,2，CHAI Mengyang1，ZHAO Hangbin1,2，SUN Dexin1,2,3

(1.,,,200083,;2.,100049,3.,,,226200,)

Aiming at solving the problem of poor uniformity in uncooled infrared focal plane array imaging systems, a method for on-chip nonuniformity correction (NUC), which is a correction based on the effect of detector bias on its output, is proposed, i.e., a detector on-chip point-by-point NUC method. In this method, the key biasesEBandFIDof each pixel at the detector are powered by digital-to-analog convertors. The output signal is corrected by adjusting the bias of each pixel individually, before integration. As a result, the nonuniformity is reduced from 1.9% to 0.4% without affecting the frame rate. This method effectively improves the nonuniformity of the original signal of the detector and has good real-time performance.

uncooled infrared detector，key bias，on-chip，NUC

TN215

A

1001-8891(2017)08-0682-06

2017-01-09.

2017-03-13.

張寧（1991-），男，安徽銅陵人，碩士研究生，研究方向為非制冷紅外成像系統(tǒng)及噪聲抑制技術(shù)的研究。E-mail：tjuzhangning@163.com。

孫德新（1972-），男，山東泰安人，博士生導(dǎo)師，研究方向為主要從事紅外高光譜光電遙感技術(shù)研究。E-mail：sundexin@mail.sitp.ac.cn。

國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0500401），國家863計劃（2014AA123201），國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（A0106/1112）。