CN103308184A - 红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及其非均匀性校正方法。所述红外焦平面阵列探测器单元包括由相同的热敏电阻材料制成的像元和盲元，所述像元对入射红外辐射响应，而所述盲元对入射红外辐射无响应，所述像元与所述盲元串联，并且与一积分放大器的反相输入端电学连接，在所述盲元与像元电学连接的相对另一端电学连接一补偿盲元；所述补偿盲元与所述盲元一样对入射红外辐射无响应；所述补偿盲元用于补偿所述盲元，并间接地使相对应的像元的非均匀性得到补偿校正。本发明可以有效补偿像元的电阻值的非均匀性，提高焦平面阵列的有效输出动态范围和降低噪声等效温差。

Description

红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及校正方法

技术领域

本发明涉及红外探测器领域，尤其涉及一种红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及其非均匀性校正方法。

背景技术

红外探测器技术（尤其是非制冷红外探测器技术）在过去的十几年内得到飞速发展。一方面，非制冷焦平面技术由最初的中、小规模，发展到大规模的640×480阵列，甚至是1024×1024非制冷焦平面阵列。另一方面，像元尺寸也由50μm、35μm、25μm逐步缩小到17μm甚至以下。非制冷焦平面探测器凭借其体积小、成本低、可靠性好等优点，在工业、电力、医疗、消防等诸多关键领域得到广泛应用。随着电路水平及制造工艺的改进，非制冷焦平面的灵敏度逐步提高，也推动非制冷红外热成像技术在军事领域得到了成功应用，尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面，非制冷热成像系统更具优势，有望在近年内逐步取代价格高、体积笨重的制冷型热成像系统。

非制冷红外探测器一般是指热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热电堆、热释电、以及微测辐射热计。其中，采用微桥结构的微测辐射热计（Microbolometer）日渐成为绝对主流的非制冷红外焦平面探测器技术。微测辐射热计通过检测红外辐射热效应引起的热敏电阻的阻值变化而探测相应的辐射强度。入射到探测器光敏元（像元）上的红外辐射被吸收后，引起像元温度的升高，这时像元的电阻值随着其温度升高而发生变化。通过检测像元电阻值的变化来进一步探测红外辐射信号的强弱。

微测辐射热计的特点在于采用表面微加工工艺制作出悬空于CMOS读出电路（ROIC）衬底之上，以细长悬臂梁支撑的业界通称为微桥结构的像元。成千上万个相同的像元构成的二维阵列称为焦平面阵列。微桥结构的性能直接影响焦平面的灵敏度及成像效果，首先要具有良好的热绝缘性能，以利于把吸收的红外辐射最大化地转化为温度变化；其次，要求具有较低的热质量，以保证足够小的热时间常数和一定的成像频率；第三，要求具有较高的红外吸收效率。

对于入射辐射引起的像元阻值微弱变化，必须通过灵敏的CMOS电路来检测。检测电阻变化的电路有很多种，目前比较通用的方法是采用电容跨阻放大器（CTIA）电路。其单元电路原理结构如图1所示，其中R_p代表探测器的一个像元，R_p采用绝热微桥结构，与衬底之间具有良好的热隔离以利于最大化地将吸收的辐射转化为热效应。R_b代表盲元，所谓的盲元一般是与衬底导热良好或无红外辐射吸收能力的结构。盲元包含与像元具有相同电学特性的热敏电阻材料，但是其电阻值不会随入射红外辐射变化。在探测器工作时，流过R_p的电流包含由红外辐射引起的微小电流变化（电阻变化），而流过R_b的电流不受红外辐射影响，相对是“恒定”的。因此通过CTIA电路对像元电流与盲元电流的差分积分可检测出由红外辐射引起的像元阻值的微小变化。

对于实际的焦平面阵列，由于制造工艺、材料特性等存在的微小的不一致性，使得每个像元之间在绝热、热质量、红外吸收率、像元阻值、像元电阻温度系数（TCR）等方面存在一定的差异。其结果是即使当探测器面对一个温度均匀的黑体时，各个像元的输出之间也不完全一致，这种现象在业界称为非均匀性。焦平面输出非均匀性在成像时表现为空间噪声。微测辐射热计焦平面的空间噪声可能远大于其信号响应，这极大地制约了焦平面的有效输出动态范围，影响红外成像效果，甚至有可能使焦平面完全不能成像。

目前，红外焦平面阵列探测器的非均匀性大多通过在红外成像系统的后端的控制处理电路采用两点校正等方式来加以修正。所谓的两点校正是通过采集两个不同黑体温度下的焦平面输出，经过计算后对探测器各个像元的增益（Gain）及偏移量（Offset）进行校正。但是，由于这些后端校正都是对已经放大输出并经过A/D采样后的信号进行处理，其校正效果无疑存在一定的局限性，并且为探测器的使用以及系统成本带来不利影响。而且，在探测器输出以后的校正无法解决非均匀性对焦平面阵列输出动态范围的限制。因此如果能够把非均匀性校正功能集成至焦平面阵列的芯片内部，在信号积分和放大输出前即完成一定的校正功能，将无疑显著提高探测器的性能。特别是对于大阵列规模、小像元尺寸的先进焦平面产品更具意义。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及其非均匀性校正方法，以通过在焦平面阵列内设计和制造补偿用途的盲元（以下简称补偿盲元）以及相应的控制电路，在积分放大器电路积分放大之前对每一像元单独进行针对性的补偿校正，有效地提高积分放大后的焦平面阵列的信号均匀性。

本发明的另一目的在于通过补偿焦平面阵列的像元和盲元之间的非均匀性，从而改善整个焦平面阵列的响应非均匀性，并进一步提高焦平面阵列的输出动态范围和信噪比。

本发明的另一目的在于通过将红外焦平面阵列探测器芯片的非均匀性校正功能分解在焦平面阵列内部和控制处理焦平面阵列的模块中，这样有利于减少红外焦平面阵列探测器芯片面积，简化电路设计，并降低芯片内部的数模干扰。

为了实现上述目的，本发明提供一种含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，所述红外焦平面阵列探测器单元包括由相同的热敏电阻材料制成的像元和盲元，所述像元对入射红外辐射响应，而所述盲元对入射红外辐射无响应，所述像元与所述盲元串联，并且与一积分放大器的反相输入端电学连接，在所述盲元与像元电学连接的相对另一端电学连接一补偿盲元，并且与所述盲元一样对入射红外辐射无响应；所述补偿盲元用于补偿所述盲元，使相对应的探测器单元的非均匀性得到补偿校正。

进一步，所述补偿盲元采用与像元、盲元相同的热敏电阻材料制成。

进一步，所述补偿盲元包括多个补偿子盲元和相对应的多个选通开关，所述选通开关用于控制所述补偿子盲元与所述盲元之间的断开或导通，以对所述盲元的阻值进行补偿校正。

进一步，所述补偿盲元与盲元通过串联方式连接。

进一步，所述补偿盲元与盲元通过并联方式连接。

为实现上述的目的，本发明还提供一种红外成像系统，所述红外成像系统包括：一红外镜头，用于接收红外辐射，并且在一焦平面阵列上聚焦；所述焦平面阵列包括多个所述的红外焦平面阵列探测器单元，所述焦平面阵列用于探测红外辐射强度，生成相对应的电学信号数据并传送至一控制处理模块；所述控制处理模块与所述焦平面阵列连接，用于接收焦平面阵列所输出的电学信号数据，对所述电学信号数据进行处理及校正，并且向所述焦平面阵列上传校正数据；所述控制处理模块进一步包括一读取单元和一控制单元，所述读取单元与所述积分放大器的输出端连接，用于读取焦平面阵列所输出的电学信号数据；所述控制单元与所述补偿盲元连接，用于控制所述补偿盲元；一图像显示装置，与所述控制处理模块连接，用于根据校正后的电学信号数据显示红外图像。

进一步，所述控制单元进一步与多个选通开关电学连接。

进一步，在所述焦平面阵列中同一列像元共享同一个补偿盲元。

进一步，所述控制处理模块还包括焦平面阵列输出数据保存单元、像元非均匀性计算单元、补偿因子计算单元；其中所述焦平面阵列输出数据保存单元与读取单元连接，用于保存焦平面阵列所输出的数据，所述像元非均匀性计算单元用于计算像元的非均匀性，所述补偿因子计算单元与所述控制单元连接，用于根据所计算的非均匀性获得相应的补偿因子。

为实现上述的目的，本发明还提供一种红外成像系统的非均匀性校正方法，所述非均匀性校正方法包括以下步骤：a）所述红外成像系统对均匀黑体辐射源成像；b）采集焦平面阵列所输出的多个电学信号数据；c）将采集的多个电学信号数据存储至控制处理模块；d）计算焦平面阵列所输出的多个电学信号数据中的像元数据的非均匀性，并且获取每一像元数据的补偿因子；e）将所述补偿因子存储至控制处理模块；f）当焦平面阵列工作时，每次输出像元数据前调用已存储的补偿因子；g）通过补偿因子控制相应的补偿盲元的选通开关，并在积分放大前对每一像元的输出进行补偿。

进一步，在步骤f）中所述补偿因子采用串行实时输入方式。

进一步，在步骤g）中进一步包括步骤：在焦平面阵列第1行的像元积分放大时，对第2行的像元的补偿因子进行输入并在焦平面阵列内保存；当第1行的像元积分放大完成后，对第2行的像元的补偿因子进行内部采样，并用已采样的第2行补偿因子控制补偿盲元来完成第2行的积分放大，在第2行的像元积分放大的同时对第3行的像元的补偿因子进行输入，以此类推。

本发明红外焦平面阵列探测器单元、红外成像系统及其非均匀性校正方法的积极效果是：

a)通过在焦平面阵列内设计和制造用于补偿的补偿盲元以及相应的控制电路，在积分放大器电路积分之前对每一像元单独进行针对性的补偿校正，有效提高积分放大后的焦平面阵列信号均匀性；

b)通过补偿焦平面阵列中像元和盲元之间电阻的非均匀性，进而改善整个焦平面阵列的响应非均匀性，并进一步提高焦平面阵列的输出动态范围和信噪比；

c)将红外焦平面阵列探测器芯片的非均匀校正功能分解在焦平面阵列内部和控制处理焦平面阵列的模块两部分实现，有利于减小红外焦平面阵列探测器芯片面积，简化电路设计，并且降低芯片内部的数模干扰；

d)对焦平面阵列的非均匀性校正后，可使红外焦平面阵列探测器在均匀红外辐射下每一像元的输出电压趋于一致，有利于通过调整偏置情况，提高焦平面阵列的红外响应率和有效动态范围，并且改善红外焦平面阵列探测器的等效噪声温差。

附图说明

图1是常用的传统微测辐射热计单元的像元电流CTIA积分电路示意图；

图2是本发明所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元示意图；

图3是所述补偿盲元与盲元以串联方式连接的电路形式示意图；

图4是所述补偿盲元与盲元以并联方式连接的电路形式示意图；

图5是本发明所述红外成像系统的结构示意图；

图6是本发明所述补偿盲元在一焦平面阵列内实现的示意图；

图7是本发明所述红外热成像系统的非均匀性校正方法的步骤流示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对现有技术中的问题，提出通过在焦平面阵列内设计和制造补偿用途的盲元（以下简称补偿盲元）以及相应的电路控制功能，在积分放大器（例如，电容跨阻放大器，简称CTIA）积分放大之前对每个像元单独进行针对性的补偿校正，有效地提高积分放大后的焦平面阵列信号均匀性。

图2是本发明所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元示意图。所述红外焦平面阵列探测器单元包括像元和盲元，所述像元与所述盲元串联，并且所述像元与所述盲元的共接点与一积分放大器（例如，本实施例为一电容跨阻放大器）电学连接。也就是说，所述像元的一端分别与所述盲元的一端、一积分放大器的反向输入端、一电容C及一开关K电学连接，在所述像元的相对另一端施加电压V2，在所述盲元的相对另一端施加电压V1，所述电容的两端分别电连接积分放大器的反相输入端和输出端，所述开关K与电容并联，参考电压V_ref与积分放大器的同相输入端连接，其中，像元可用R_p表示，盲元可用R_b表示。所述像元R_p代表红外探测器的一个像元，所述像元采用绝热微桥结构，与衬底之间具有良好的热隔离，以利于最大化地将吸收的红外辐射转化为热效应。所述盲元R_b一般是与衬底导热良好或无红外辐射吸收能力的结构。所述盲元包含与像元相同电学特性的热敏电阻材料，但是其电阻值不会随入射的红外辐射而变化。在红外探测器工作时，流过所述像元的电流包含由红外辐射引起的微小电流变化（即像元电阻变化引起的电流变化），而流过所述盲元的电流不受红外辐射的影响，相对“恒定”。因此通过电容跨阻放大器（Capacitive TransImpedance Amplifier，简称CTIA）对像元电流与盲元电流的差值积分可检测出由红外辐射引起的像元阻值的微小变化。由于制造工艺、材料特性等存在的微小的不一致性，使得每个像元之间在绝热、热质量、红外吸收率、像元阻值、像元电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，简称TCR）等方面存在一定的差异。其结果是即使当探测器面对一个温度均匀的黑体时，各个像元的输出之间也不完全一致，即称为非均匀性。为了有效解决像元的非均匀性问题，在本发明所述红外探测器焦平面阵列中采用如下方案：

在所述盲元与像元电学连接的相对另一端电学连接一补偿盲元。所述补偿盲元可用R_comp表示，用于补偿所述盲元，间接地使相对应的像元非均匀性得以补偿校正。所述补偿盲元与所述盲元一样对入射红外辐射无响应，并且优先采用与像元、盲元相同的热敏电阻材料制成。其中，所述补偿盲元包括多个补偿子盲元和相对应的多个选通开关，所述选通开关为一种CMOS选通开关，用于控制所述补偿子盲元与所述盲元之间的断开或导通，以对所述盲元的阻值进行补偿校正。当所述补偿子盲元与所述盲元两者之间全部断开时，补偿盲元R_comp无电流通过，对盲元R_b无任何影响。当补偿盲元R_comp与盲元R_b连接时，电流将同时流经补偿盲元R_comp和盲元R_b，相当于对盲元R_b的阻值进行了一定的调整和补偿。

参考图3所示，所述补偿盲元与盲元通过串联方式连接。参考图4所示，所述补偿盲元与盲元通过并联方式连接。

补偿盲元R_comp与盲元R_b的连接方式可以采用串联或并联两种不同方式。当补偿盲元R_comp与盲元R_b采用串联的连接方式时，补偿盲元R_comp一般设计为多个电阻串联的形式，如图3所示，可以分别用R₁、R₂、R₃、…R_n表示。其中每个单独的R_n的电阻阻值远小于盲元R_b的阻值。同时每个R_n并联一个选通开关S_n（n可以为1、2、3…n）。当所有的选通开关（S₁至S_n）导通时，全部的补偿盲元（R₁至R_n）均无电流流过，此时图3所示的电路与图1所示的传统CTIA电路相等效。当与第n个补偿盲元R_n并联的选通开关S_n断开，即补偿盲元R_n与盲元R_b串联时，此时实际盲元的阻值可视为（R_b+R_n）。这样，只要根据需要导通或断开S₁至S_n的选通开关，即可以对盲元R_b的阻值进行一定范围内的补偿。根据S₁至S_n个选通开关的选通情况，盲元在补偿前后的阻值范围从R_b变化至（R_b+R₁+R₂+R₃+…R_n）之间进行一定范围的调整改变。其效果相当于对进入CTIA积分的像元与盲元的差分电流进行了校正，进而可以对每一个像元的输出进行校正。也就是说，其效果相当于对整个焦平面阵列的非均匀性进行了一定程度的校正。

当补偿盲元R_comp与盲元R_b采用并联的连接方式时，补偿盲元R_comp一般设计为多个电阻并联的形式，如图4所示，可以分别用R₁、R₂、R₃、…R_n表示。其中每个单独的R_n的阻值远大于盲元R_b的阻值。同时每个R_n串联一个选通开关电路S_n（n可以为1、2、3…n）。当所有的选通开关S_n断开时，全部的补偿盲元（R₁至R_n）均无电流流过，此时图4所示的电路与图1所示的传统CTIA电路相等效。当与第n个补偿盲元R_n并联的选通开关S_n选通，即补偿盲元R_n与盲元R_b并联时，此时实际盲元的阻值可视为（R_b×R_n）/（R_b+R_n）。这样，只要根据需要导通或断开S₁至S_n的选通开关，即可以对盲元R_b的阻值进行一定范围内的补偿。其效果相当于对进入CTIA积分的像元与盲元差分电流进行了校正，进而可以对每一个像元的输出进行校正。也就是说，其效果相当于对整个焦平面阵列的非均匀性进行了一定程度的校正。

图5是本发明所述红外成像系统的结构示意图。

为了更好的解决像元的非均匀性问题，本发明还提供一种具有非均匀性校正功能的红外成像系统。所述系统包括：红外镜头510，用于接收从一黑体所发出的红外辐射，并且在一焦平面阵列上聚焦；焦平面阵列520，包括多个所述红外焦平面阵列探测器单元521，所述焦平面阵列520用于探测红外辐射强度，生成相对应的电学信号数据并传送至一控制处理模块530；控制处理模块530，与所述焦平面阵列520连接，用于接收焦平面阵列520所输出的电学信号数据（其中包括像元数据），并且对所述电学信号数据进行处理及校正，并且向所述焦平面阵列520上传校正数据；所述控制处理模块530进一步包括一读取单元531和一控制单元539，所述读取单元531与所述积分放大器的输出端连接，用于读取焦平面阵列520所输出的电学信号数据；所述控制单元539与所述补偿盲元连接，用于控制红外焦平面阵列探测器单元521中的补偿盲元；一图像显示装置540，与所述控制处理模块530连接，用于根据校正后的电学信号数据显示红外图像。

其中，所述控制单元539进一步与多个选通开关连接。

图6所示为所述补偿盲元在一焦平面阵列内实现的示意图。在本发明具体实施例中，焦平面阵列520为一M×N规模的非制冷微测辐射热焦平面阵列探测器单元，其中M代表焦平面阵列包含M列像元，N代表焦平面阵列包含N行像元，即像元总数为（M×N）个R_p。在本发明实施例中，在焦平面阵列中同一列像元共享同一个补偿盲元。每列像元共用一个盲元和一个补偿盲元，即整个焦平面阵列中共有M个盲元R_b和共有M个补偿盲元R_comp。其中，为了提高盲元的均匀性，将每个盲元设计为几个子盲元并联的结构，但可以等效视为一个盲元。在本发明具体实施例中，每一个盲元R_b再连接一个补偿盲元，而一个补偿盲元R_comp,m可以如图3、图4所示由多个单位补偿盲元（或称补偿子盲元）组成。每一个单位补偿盲元（或称补偿子盲元）均通过CMOS选通开关控制而与盲元R_b形成连接或断开。

所述控制单元539为多个用于焦平面阵列对控制处理模块所反馈的补偿数据（或称补偿因子）进行补偿控制的电路（图6中SH所示的电路属于控制单元539，用于将补偿因子计算单元537的输出数据进行采集保存，并且根据时序信号发送至补偿盲元的选通开关）。

所述控制处理模块530还包括焦平面阵列输出数据保存单元533、像元非均匀性计算单元535、补偿因子计算单元537；其中所述焦平面阵列输出数据保存单元533与读取单元531，用于保存焦平面阵列所输出的数据，所述像元非均匀性计算单元535用于计算像元的非均匀性，所述补偿因子计算单元537与所述控制单元539连接，用于根据所计算的非均匀性获得相应的补偿因子。

本发明除了通过在焦平面阵列实现对盲元的补偿（即对像元的非均匀性进行校正）之外，还需要通过控制处理模块以对像元的非均匀性进行校正。其中，焦平面阵列实现的功能包括补偿盲元R_comp、与R_comp对应的选通开关、以及控制电路，也就是在焦平面阵列内实现行列选通、积分、放大等功能。控制处理模块实现的功能包括焦平面阵列输出数据的保存、非均匀性的计算、以及补偿因子的计算，也就是在控制处理模块内可以实现所有红外成像系统所需的时序、图像处理、校正功能，同时还包含实施本发明所提供的非均匀性校正方法所需的数据采集、分析、计算、存储、以及传输、控制功能。

图7是本发明所述红外成像系统的非均匀性校正方法的步骤流示意图。所述方法包括以下步骤：S710：红外成像系统对均匀黑体辐射源成像。S720：采集焦平面阵列所输出的多个电学信号数据。S730：将采集的多个电学信号数据存储至控制处理模块。S740：计算焦平面阵列所输出的多个电学信号数据中的像元数据的非均匀性，并且获取每一像元数据的补偿因子。S750：将所述补偿因子存储至所述控制处理模块。S760：当焦平面阵列工作时，每次输出像元数据前调用已存储的补偿因子。S770：通过补偿因子控制相应的补偿盲元的选通开关，并在积分放大前对每一像元的输出进行补偿。

以下对上述步骤做详细说明。

步骤S710：红外成像系统对均匀黑体辐射源成像。

步骤S720：采集焦平面阵列所输出的多个电学信号数据。

首先，通过控制所有的与补偿盲元对应的CMOS选通开关，把所有的补偿盲元R_comp全部与对应的盲元R_b相连。

红外探测器面对均匀稳定的黑体辐射源成像并采集多帧焦平面的输出。每一个盲元的电阻值（R_b,m）加上补偿盲元的电阻值（R_comp,m,n）与像元的电阻值（R_p,m,n）的比值定义为K_m,n（m=1,2….M；n＝1,2…..N）：

$K_{m,n}=\frac{R_{b,m}+R_{\mathrm{comp},m,n}}{R_{p,m,n}}---\left(1\right)$

由于加工工艺等的不一致性，必然导致各个像元之间的K_m,n值存在一定的差异，这种差异也表明焦平面阵列输出时各点之间存在非均匀性。由于R_comp,m,n是由多个补偿子盲元（单位）组成，因此可以通过对每一个R_comp,m,n进行选通微调，对K_m,n进行调整，即对盲元的电阻值进行补偿。补偿的目标是使所有的K_m,n等于一个恒定值K0（一般情况下K0值取1）。

在步骤S710之前，进一步包括以下步骤：

1）在所述焦平面阵列中设置多个补偿盲元、多个像元和多个盲元。

其中，焦平面阵列为一M×N规模的红外探测器焦平面阵列，其中M代表焦平面阵列包含M列像元，N代表焦平面阵列包含N行像元，即像元总数为（M×N）个R_p。每列像元共用一个盲元，即共有M个盲元R_b。可参见图6所示。

2）多个补偿盲元通过相应的控制单元与多个盲元一一对应地进行电学连接或断开。

其中，每一所述补偿盲元包括多个盲元和相应的选通开关，所述选通开关于所述控制单元连接，用于控制断开或导通。每一个单位补偿盲元（或称补偿子盲元）均通过CMOS选通开关控制而与盲元R_b形成连接或断开。

进一步，所述补偿盲元与盲元通过串联的方式连接。可参见图3所示，当补偿盲元R_comp与盲元R_b采用串联的连接方式时，补偿盲元R_comp设计为多个电阻串联的形式，可以分别用R₁、R₂、R₃、…R_n表示。其中每个单独的R_n的电阻阻值远小于盲元R_b的阻值。同时每个R_n并联一个选通开关S_n。当与第n个补偿盲元R_n并联的选通开关S_n断开，即补偿盲元R_n与盲元R_b串联时，此时实际盲元的阻值可视为（R_b+R_n）。这样，只要根据需要导通或断开S₁至S_n的选通开关，即可以对盲元R_b的阻值进行一定范围内的补偿。其效果相当于对进入CTIA积分的像元与盲元差分电流进行了校正，进而可以对每一个像元的输出进行校正。也就是说，其效果相当于对整个焦平面阵列的非均匀性进行了一定程度的校正。

或者，所述补偿盲元与盲元通过并联的方式连接。可参见图4所示，当补偿盲元R_comp与盲元R_b采用并联的连接方式时，补偿盲元R_comp设计为多个电阻并联的形式，可以分别用R₁、R₂、R₃、…R_n表示。其中每个单独的R_n的阻值远大于盲元R_b的阻值。同时每个R_n串联一个选通开关S_n。当所有的选通开关S_n断开时，全部的补偿盲元（R₁至R_n）均无电流流过，此时图4所示的电路与图1所示的传统CTIA电路相等效。当与第n个补偿盲元R_n并联的选通开关S_n选通，即补偿盲元R_n与盲元R_b并联时，此时实际盲元的阻值可视为（R_b×R_n）/（R_b+R_n）。这样，只要根据需要导通或断开S₁至S_n的选通开关，即可以对盲元R_b的阻值进行一定范围内的补偿。其效果相当于对进入CTIA积分的像元与盲元差分电流进行了校正，进而可以对每一个像元的输出进行校正。也就是说，其效果相当于对整个焦平面阵列内的非均匀性进行了一定程度的校正。

步骤S730：将所采集的多个电学信号数据存储至控制处理模块。

其中电学信号数据包括像元数据。

步骤S740：计算焦平面阵列所输出的多个电学信号数据中的像元数据的非均匀性，并且获取每一像元数据的补偿因子。

对测量的像元数据进行分析、处理。共有M×N个焦平面像元数据（像元数据是指焦平面阵列各个像元的输出电压值），对所有像元数据计算平均值，得到

$\stackrel{\‾}{D}=\frac{1}{M\×N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{m,n---\left(2\right)}$

其中，首先获取D_1,1.、D_1,2…D_1,m，再获取D_2,1、D_2,2…D_2,m，以此类推，D_3,1、D_3,2…D_3,m，最终获得所有D_m,n数据。

接着，将每一个像元的数据与平均值相减，得到一组差值△D_m,n(m=1,2…M；n=1,2…N)：

$\mathrm{\Δ}{D}_{m,n}=D_{m,n}-\stackrel{\‾}{D}---\left(3\right)$

再接着，确定非均匀性偏差至补偿数据的转换关系，把像元的均匀性偏差数据△D_m,n转变成像元非均匀性的补偿数据（或称补偿因子）S_m,n(m=1,2…M；n=1,2…N)，

S_m,n=f(△D_m,n)             （4）

其中，S_m,n与D_m,n之间的函数关系f需要根据所采集的焦平面阵列输出数据通过控制处理模块（或称后端系统电路）计算获得。

补偿数据S_m,n控制焦平面阵列内部与盲元电阻串联的补偿盲元的阻值大小，补偿数据S_m,n和盲元补偿电阻的关系为：

R_comp,m,n=g(S_m,n)               （5）

其中，R_comp,m,n与S_m,n之间的函数关系g需要根据所采集的焦平面阵列输出数据通过控制处理模块（或称后端系统电路）计算获得。

将（5）式代入（1）式中，可以得到：

$\frac{R_{b,m}+g\left(S_{m,n}\right)}{R_{p,m,n}}{K}_0---\left(6\right)$

步骤S750：将所述补偿因子存储至所述控制处理模块。

在完成焦平面阵列的非均匀性数据采集、处理、补偿数据转换和补偿数据储存之后，在焦平面阵列的正常工作（成像）过程中需要把补偿数据按序输入至焦平面之中，便可完成对焦平面阵列的非均匀性校正。

步骤S760：当焦平面阵列工作时，每次输出像元数据前调用已存储的补偿因子。所述补偿因子采用串行实时输入方式。其中，所述补偿因子为补偿数据S_m,n。

在焦平面正常工作时，一般采用逐行扫描的方式读出，即只有一行像元（M个R_p）和所有盲元（M个R_b）同时工作，其余M×（N-1）个像元均处于非工作状态。

步骤S770：通过补偿因子控制相应的补偿盲元的选通开关，并在积分放大前对每一像元的输出进行补偿。

在红外成像过程中把焦平面阵列的非均匀性补偿信号反馈到焦平面阵列的具体步骤如下：在焦平面阵列第1行像元积分时，对第2行的像元的补偿因子进行输入并在焦平面阵列内保存；当第1行像元积分完成后，对第2行的像元的补偿因子进行内部采样，并用已采样的第2行的补偿因子控制补偿盲元完成第2行的积分放大，在第2行像元积分放大的同时对第3行的像元的补偿因子进行输入，以此类推。在焦平面阵列n行像元积分时，对n+1行的像元的补偿因子进行输入并在焦平面阵列内保存；当n行像元积分完成后，对n+1行的像元的补偿因子进行内部采样，并用已采样的n+1行补偿因子控制补偿盲元完成n＋1行的积分。

也就是说，在焦平面一帧的n行积分之前，把M个补偿信号S_m,n（m=1,2…M）依次输入到焦平面阵列之中，并在焦平面阵列中对应保存。

在n行像元复位时，同时把已保存的n行补偿信号采样到补偿盲元的控制端（即补偿盲元的选通开关），在n行积分时间内控制补偿盲元的阻值大小。其中，复位是指附图1中开关K闭合，使电容两端短接，其功能是使CTIA积分电容的电荷归零。

在n行像元积分时，n＋1行的补偿信号S_m,n+1（m=1,2…M）依次输入到焦平面阵列之中，并在焦平面阵列中对应保存。

在n＋1行像元复位时，同时对已保存的n＋1行补偿信号采样到补偿盲元的控制端，在n＋1行积分时间内控制补偿盲元的阻值大小。

这样，在红外成像过程中每一个像元均有唯一与之对应的补偿信号控制补偿盲元，使焦平面阵列的像元之间达到“相对均匀”，并且补偿信号可以反复使用，不需要每一次都做非均匀性量化，使用起来简单方便。

通过上述方法对焦平面阵列的非均匀性校正后，可以使红外焦平面阵列探测器在均匀红外辐射下各个像元的输出电压趋于一致，这有利于通过调整偏置情况，提高焦平面阵列的红外响应率和有效动态范围，并降低红外焦平面阵列探测器的噪声等效温差（NoiseEquivalent Temperature Difference，简称NETD）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，所述红外焦平面阵列探测器单元包括由相同的热敏电阻材料制成的像元和盲元，所述像元对入射红外辐射响应，而所述盲元对入射红外辐射无响应，所述像元与所述盲元串联，并且与一积分放大器的反相输入端电学连接，其特征在于，在所述盲元与像元电学连接的相对另一端电学连接一补偿盲元，并且与所述盲元一样对入射红外辐射无响应；所述补偿盲元用于补偿所述盲元，使相对应的探测器单元的非均匀性得到补偿校正。

2.根据权利要求1所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，其特征在于，所述补偿盲元采用与像元、盲元相同的热敏电阻材料制成。

3.根据权利要求1所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，其特征在于，所述补偿盲元包括多个补偿子盲元和相对应的多个选通开关，所述选通开关用于控制所述补偿子盲元与所述盲元之间的断开或导通，以对所述盲元的阻值进行补偿校正。

4.根据权利要求3所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，其特征在于，所述补偿盲元与盲元通过串联方式连接。

5.根据权利要求3所述含非均匀性校正功能的红外焦平面阵列探测器单元，其特征在于，所述补偿盲元与盲元通过并联方式连接。

6.一种红外成像系统，具有非均匀性校正功能，其特征在于，包括：

一红外镜头，用于接收红外辐射，并且在一焦平面阵列上聚焦；

所述焦平面阵列包括多个权利要求1所述的红外焦平面阵列探测器单元，所述焦平面阵列用于探测红外辐射强度，生成相对应的电学信号数据并传送至一控制处理模块；

所述控制处理模块与所述焦平面阵列连接，用于接收焦平面阵列所输出的电学信号数据，对所述电学信号数据进行处理及校正，并且向所述焦平面阵列上传校正数据；所述控制处理模块进一步包括一读取单元和一控制单元，所述读取单元与所述积分放大器的输出端连接，用于读取焦平面阵列所输出的电学信号数据；所述控制单元与所述补偿盲元连接，用于控制所述补偿盲元；

一图像显示装置，与所述控制处理模块连接，用于根据校正后的电学信号数据显示红外图像。

7.根据权利要求6所述的红外成像系统，其特征在于，所述控制单元进一步与多个选通开关电学连接。

8.根据权利要求6所述的红外成像系统，其特征在于，在所述焦平面阵列中同一列像元共享同一个补偿盲元。

9.根据权利要求6所述的红外成像系统，其特征在于，所述控制处理模块还包括焦平面阵列输出数据保存单元、像元非均匀性计算单元、补偿因子计算单元；其中所述焦平面阵列输出数据保存单元与读取单元连接，用于保存焦平面阵列所输出的数据，所述像元非均匀性计算单元用于计算像元的非均匀性，所述补偿因子计算单元与所述控制单元连接，用于根据所计算的非均匀性获得相应的补偿因子。

10.一种红外成像系统的非均匀性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

a）采用权利要求6所述的红外成像系统对均匀黑体辐射源成像；

b）采集焦平面阵列所输出的多个电学信号数据；

c）将采集的多个电学信号数据存储至控制处理模块；

d）计算焦平面阵列所输出的多个电学信号数据中的像元数据的非均匀性，并且获取每一像元数据的补偿因子；

e）将所述补偿因子存储至控制处理模块；

f）当焦平面阵列工作时，每次输出像元数据前调用已存储的补偿因子；

g）通过补偿因子控制相应的补偿盲元的选通开关，并在积分放大前对每一像元的输出进行补偿。

11.根据权利要求10所述的红外成像系统的非均匀性校正方法，其特征在于，在步骤f）中所述补偿因子采用串行实时输入方式。

12.根据权利要求10所述的红外成像系统的非均匀性校正方法，其特征在于，在步骤g）中进一步包括步骤：

在焦平面阵列第1行的像元积分放大时，对第2行的像元的补偿因子进行输入并在焦平面阵列内保存；当第1行的像元积分放大完成后，对第2行的像元的补偿因子进行内部采样，并用已采样的第2行补偿因子控制补偿盲元来完成第2行的像元积分放大，在第2行的像元积分放大的同时对第3行的像元的补偿因子进行输入，以此类推。

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