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、識別、跟蹤、制導(dǎo)、火控、夜視、光電對抗、遙感等各個軍事領(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[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,還存在很多遺留問題,需要進(jìn)一步攻關(guān)解決。在對一款256×256中波紅外焦平面探測器成像系統(tǒng)進(jìn)行實驗時,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(點源目標(biāo))時表現(xiàn)為連續(xù)的周期性重影,在目標(biāo)較大(十字叉絲)時表現(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,特別是探測微弱目標(biāo)時,對于目標(biāo)的識別和捕獲會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。由于紅外焦平面探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要對重影進(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 實驗分析

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(fā)出的點光源,通過紅外鏡頭聚焦于探測器光敏元上,調(diào)節(jié)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(diào)。紅外測試系統(tǒng)主要包括驅(qū)動控制模塊、采集模塊以及計算機(jī)三個部分。驅(qū)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(chǎn)生輸出信號,并由測試系統(tǒng)中的采集模塊進(jìn)行信號采集。計算機(jī)完成對信號的成像及后續(xù)的數(shù)據(jù)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(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,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。

對目標(biāo)信號所在的整行數(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(xiàn)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(xiàn)為暗斑。目標(biāo)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(shù)據(jù)進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)重影相隔4個像元周期出現(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)信號行灰度值 Tab.1 The gray value of the target signal

名稱圖像灰度值目標(biāo)14067第一個重影(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,形成可檢測的電壓信號,從而實現(xiàn)對目標(biāo)的高精度探測。

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

整個紅外成像系統(tǒng)包括外部光學(xué)鏡頭、紅外焦平面探測器以及成像測試系統(tǒng)。從光學(xué)成像特性可知,光學(xué)畸變不可能會出現(xiàn)連續(xù)間隔且成雙行的重影,故排除光學(xué)鏡頭的影響。紅外焦平面探測器及成像測試系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生成像重影的可能原因有：紅外焦平面探測器芯片光敏元的光串?dāng)_、電串?dāng)_、紅外焦平面探測器的讀出電路以及成像測試系統(tǒng)。光串?dāng)_是由于進(jìn)入探測器中某一光敏元的光信號產(chǎn)生了反射、斜入射、衍射等效應(yīng)導(dǎo)致光信號進(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)理來分析,二者都只是引起相鄰像素產(chǎn)生串?dāng)_,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?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

成像測試系統(tǒng)包括測試電路板和成像采集系統(tǒng)。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(jīng)過測試電路板的輸出信號進(jìn)行采集與比對,結(jié)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(shè)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(xiàn)了震蕩。分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生形式可知,這是由于測試電路板與成像采集系統(tǒng)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(shè)計,如圖8所示。測試電路更改后,再次進(jìn)行輸出信號采集和系統(tǒng)成像,測試電路板后端輸出未出現(xiàn)圖7所示信號被拉長和震蕩的現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行點源目標(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(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(dǎo)了成像重影的成因,最終驗證了重影是由于成像系統(tǒng)中測試電路板與成像采集系統(tǒng)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(xiàn)象。同時,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限來進(jìn)行消除。

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