CN104677501A - 非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法。所述方法包括：a、对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一和第二目标温度下每个像元的输出电压；b、分别对所述第一和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值。c、根据所述平均值，分别计算各像元在第一和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量；d、依次对各像元在第一和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量进行运算，得到各像元所需的电压调节量；e、根据所述各像元的电压调节量在查找表中查询所需DAC偏移量；f、用所述的DAC偏移量对各像元的输出进行校正，完成对整个阵列非均匀性校正。

Description

非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法和装置

技术领域

本发明涉及红外成像系统领域，具体涉及一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法和装置。

背景技术

红外焦平面阵列属于第二代红外成像器件，是现代红外成像系统的核心，具有结构简单、工作稳定、噪声小、灵敏度高等优点。红外成像系统在理想情况下，红外焦平面阵列受均匀辐射，输出幅度应该完全相同。但是由于像元自身的非均匀性(制作器件的半导体材料不均匀、掩膜误差、工艺条件等的影响造成器件的不均匀)，外界输入(如像元的偏置电压、偏置电流)的不同等因素会造成输出的非均匀性。非均匀性的存在极大的限制了成像系统的性能，在低对比度的红外成像系统中，对成像质量的影响更大，使图像模糊不清，提取不出图像信号的特征，甚至丧失探测能力。

为了解决非均匀性问题，提出了很多方案，如基于定标的一点校正、两点校正非均匀算法、基于场景的高通滤波校正法、自适应的人工神经网络算法等。受限于芯片面积和算法实现难度，目前最常用的片上非均匀性校正方案是一点温度定标算法和两点温度定标算法。

一点温度定标算法是最早的非均匀性校正算法，针对增益系数不均匀性和偏置系数不均匀性的两种情况，但是每次只能满足一种校正。

两点校正算法考虑了像元的增益不均匀性和偏置不均匀性，在通常情况下，当红外辐射的输入为零的时候，像元的相应输出不为零。两点校正法将所有像元的响应特性曲线通过旋转平移，变换为同一条响应特性曲线。经过校正后，在均匀辐射输入的情况下，各个像元的输出电信号相同，从而消除了红外图像的非均匀性噪声。采用两点温度定标法可获得较好的校正效果，但是片上DAC的数量加倍。因此，寻求一种可以降低空间噪声同时又不增加过多片上DAC的方案很有必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单有效的非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法和装置。

根据本发明的一个实施例，提供了一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法。该方法包括以下步骤：

a、对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)，其中i表示第i个像元；

b、分别对所述第一目标温度和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值，得到和

c、根据所述的所有像元在第一目标温度和第二目标温度下的平均值，分别计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)；

d、依次对各像元在第一目标温度和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)进行四则运算，得到各像元所需的电压调节量ΔV_i；

e、根据所述各像元的调节量ΔV_i在查找表中查询所需DAC(数字/模拟转换)偏移量；

f、用所述的DAC偏移量对非制冷红外焦平面阵列的非均匀性进行校正。

可选的，所述步骤b中，在第一目标温度和第二目标温度下所有像元电压输出的平均值分别由 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)---\left(1\right)$ 和计算得到，其中M和N分别表示像元阵列的行数和列数。

可选的，所述步骤c中，各像元在第一目标温度和第二目标温度下与所述像元输出电压平均值的差异量分别由公式和 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)---\left(4\right)$ 计算得到。

可选的，所述步骤d中各像元所需的调节量由四则运算中的加法运算ΔV_i＝ΔV_i(T₁)+ΔV_i(T₂)(5)得到。

可选的，所述的步骤e中每个像元对应的列级电路只使用一个DAC数据，减小了校正电路的规模。

根据本发明的一个实施例，提供了一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的装置。所述装置包括以下单元：

测量单元，用于对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)；

平均值计算单元，用于分别对所述第一目标温度和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值，得到和

差异量计算单元，用于根据所述的所有像元在第一目标温度和第二目标温度下的平均值，分别计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)；

电压调节量计算单元，用于依次对各像元在第一目标温度和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)进行运算，得到各像元所需的电压调节量ΔV_i；

查找表存储单元，用于存储查找表，并根据所述各像元的电压调节量在查找表中查询所需DAC(数字/模拟转换)偏移量；

校正单元，用于根据所述的DAC偏移量对非制冷红外焦平面阵列的非均匀性进行校正。

可选的，在所述的平均值计算单元中，在第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下，所有像元的电压输出平均值分别由和两个公式计算得到，其中M和N分别表示像元阵列的行数和列数。

可选的，在所述的差异量计算单元中，各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量由 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)$ 和 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 计算得到。

可选的，在所述电压调节量计算单元中，各像元所需的调节量由ΔV_i＝ΔV_i(T₁)+ΔV_i(T₂)计算得到。

可选的，所述的校正单元中，每个像元对应的列级电路只使用一个DAC数据，减小了校正电路的规模。

附图说明

图1为非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正电路框图；

图2为根据本发明一个实施例的非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正方法的流程图；

图3为根据本发明一个实施例的非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正装置的方框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1示出了本发明的一个实施例中，一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正电路，该电路包括红外探测部分1和非均匀性校正部分2。图2为图1所述的校正电路的校正方法的流程图。

如图1所示，红外探测部分1用于探测目标物体自然发射的红外辐射，将所接收的光学信号转换成电学信号输出。所述红外探测部分1包括N个列级电路(N为像元阵列的列数)，图中只给出了两个列级电路作为示意。其中每个列级电路又包括盲像元R_b、探测像元R_S、PMOS晶体管P1、NMOS晶体管N1以及积分电路3。盲像元R_b上加有遮光板，因此对红外辐射不敏感，用来作为探测像元R_S的参考。

在一个实施例中，所述的盲像元一端接电压源V_sk，另外一端连接PMOS晶体管P1的源极，流经盲像元R_b的电流为I_b(t)。所述的探测像元一端接地，另一端连接NMOS晶体管N1的源极,流经探测像元R_S的电流为I_s(t)。PMOS晶体管P1的栅极连接电压源V_eb,其漏端和NMOS晶体管N1的漏端共同作为输出连接到积分电路3的共模输入端，输出电流为I_int(t)。理想情况下，如果不存在非均匀性，可通过设置使得所有列级的偏置电压V_eb和V_fid分别相等，使得各列级的输出I_int(t)相等，通过积分电路3放大之后，得到一致的输出电压V_out。但是，由于非均匀性的存在，各列级的输出会存在偏差，影响图像的成像质量，因此需要对其进行校正，得到尽量一致的输出。

为了实现校正的目的，根据本发明的方法首先执行图2所示的步骤S101，测试各个像元在不同温度下的输出电压V_out,i(T₁)。

接着，在步骤S102中，分别计算在特定温度下所有像元的输出电压的平均值以及在步骤S103中，分别计算在特定温度下所有像元的输出电压与平均值之间的差异量ΔV_i(T₁)。

在一个实施例中，校正部分2亦即芯片级电路，包括T₁计算引擎、T₂计算引擎、校正量计算引擎、查找表以及DAC。其中T₁计算引擎用于计算目标温度T₁下所有列级电路的输出电压平均值以及各列级的输出电压V_out,i(T₁)与输出电压平均值之间的差异量ΔV_i(T₁)，T₂计算引擎用于计算目标温度T₂下所有列级电路的输出电压平均值以及各列级的输出电压V_out,i(T₂)与输出电压平均值之间的差异量ΔV_i(T₂)。T₁计算引擎和T₂计算引擎中包括ADC转换模块，因此得到的差异量是数字信号。

然后，在步骤S104中，基于所述差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)计算各个像元所需的电压调节量。对应于校正量计算引擎计算各列级电路所需的调节量ΔV_i。

接着，在步骤S105中，基于所述的电压调节量，查询所需的电压偏移量。即查找表根据校正量计算引擎得到的各列级电路所需的调节量ΔV_i，查找到对应的偏置电压V_fid。

最后，在步骤S106中，用所述的DAC偏移量对每个像元的输出进行校正。即DAC用于对查找到的对应于偏置电压V_fid数字信号进行数/模转换，使其输出相应偏置电压V_fid作为NMOS晶体管N1的栅极输入。

T₁计算引擎和T₂计算引擎的输入分别与各列级通道输出相连，计算得到所述差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)。两个计算引擎的输出连接到校正量计算引擎的输入，完成对各像元所需的调节量ΔV_i的计算。校正量计算引擎的输出作为查找表的输入，通过查找表找到ΔV_i对应的V_fid。查找表的输出连接到DAC的输入端，将查找到对应的偏置电压V_fid转换成模拟信号，输出作为NMOS晶体管N1的栅极输入，从而调节流经探测像元R_S的电流I_s(t)，进而可以调节漏端输出电流I_int(t)，使得各个像元的输出一致，达到对非均匀性校正的目的。

设定好目标温度T₁后，与T₁计算引擎通信让其收集并计算在目标温度T₁下的相关数据；等待一段时间后设定目标温度T₂，与T₂计算引擎通信让其收集并计算在目标温度T₂下的相关数据；T₂计算引擎完成计算后会自动与校正量计算引擎通信，请求计算各像元所需调节量并完成后续校正。

该校正电路的每个列级只使用了一个DAC，用于调节V_fid，与传统的两点温度定标法采用两个DAC相比，减小了校正电路的规模。

根据本发明第二实施例，还提供一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的装置，所述装置包括测量单元201、平均值计算单元202、差异量计算单元203、电压调节量计算单元204、查找表存储单元205以及校正单元206。

所述测量单元201对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)，其中i代表第i个像元。

将所述每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)提供给所述平均值计算单元202，分别对所述第一目标温度和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值，得到和例如平均值基于 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)$ 和两个公式计算得到，其中M和N分别表示像元阵列的行数和列数。

将所述电压求平均值和提供给差异量计算单元203，使其根据所述的所有像元在第一目标温度和第二目标温度下的平均值，分别计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)，例如差异量基于 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)$ 和 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 计算得到。

将所述输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)提供给电压调节量计算单元204，使其依次对各像元在第一目标温度和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)进行运算，得到各像元所需的电压调节量ΔV_i，例如电压调节量ΔV_i基于ΔV_i＝ΔV_i(T₁)+ΔV_i(T₂)计算得到；

将所述的电压调节量提供给查找表存储单元，使其根据所述各像元的电压调节量在查找表中查询所需DAC偏移量；

将所述的电压偏移量提供给校正单元，使其根据所述的DAC偏移量对非制冷红外焦平面阵列的非均匀性进行校正。

传统的两点温度定标法将各列级电路的输出电压拟合为与ΔT_s相关的线性函数，即V_out,i＝K_iΔT_s+B_i(6)，式中K_i为第i个像元的增益，B_i为第i个像元的偏移量，ΔT_s为目标温度和像元阵列衬底温度的差值。而增益K_i和偏移量B_i都与探测像元R_S上的压降V_s相关，具体表达式为 式中α为探测像元R_S的电阻温度系数，t_int为积分电路3的积分时间，T₀为像元阵列的衬底温度，R_S(T₀)为无红外辐射时探测像元的电阻值，C_int为积分电路中的积分电容，V_b为盲像元R_b上的压降，V_ref为积分电路3的电压参考值。由(7)和(8)知V_s既是输出增益K_i的函数，又是输出偏移量B_i的函数，因此调节V_s可以同时改变增益量和偏移量。V_s与偏置电压V_fid的关系为式中μ_n为NMOS晶体管N1的载流子迁移率，C_ox为NMOS晶体管N1的栅氧电容，W,L分别为NMOS晶体管N1的沟道宽度和长度，V_THn为N1的阈值电压。因此可以通过调节V_fid来改变增益量和偏移量，从而达到对各像元输出电压响应校正的目的。但由于输出电压V_out,i是ΔT_s的函数，所以在校正过程中，需要明确给出目标温度值T₁和T₂来计算增益量和偏移量的值，完成对增益和偏移量的校正，并且增益K_i和偏移量B_i与偏置电压V_fid之间的函数关系复杂，求解过程繁琐，不利其计算引擎在片上的集成。而本方案直接对输出电压V_out,i整体进行校正，无需给定具体目标温度值，大大的简化了求解过程，便于计算引擎在片上的集成。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的方法，所述方法包括以下步骤：

a、对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)，其中i代表第i个像元；

b、分别对所述第一目标温度和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值，得到和

c、根据所述的所有像元在第一目标温度和第二目标温度下的平均值，分别计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)；

d、依次对各像元在第一目标温度和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)进行运算，得到各像元所需的电压调节量ΔV_i；

e、根据所述各像元的电压调节量在查找表中查询所需DAC(数字/模拟转换)偏移量；

f、用所述的DAC偏移量对各像元的输出进行校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b中，在第一目标温度T₁下和第二目标温度T₂下所有像元电压输出的平均值分别由 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)$ 和 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 两个公式计算得到，其中M和N分别表示像元阵列的行数和列数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c中计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量由和 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 计算得到。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d中各像元所需的调节量由ΔV_i＝ΔV_i(T₁)+ΔV_i(T₂)计算得到。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤e中每个像元对应的列级电路只使用一个DAC数据。

6.一种非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正的装置，所述装置包括以下单元：

测量单元，用于对非制冷红外焦平面阵列上的每个像元在两个目标温度下进行两次测试，得到第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下每个像元的输出电压V_out,i(T₁)和V_out,i(T₂)；

平均值计算单元，用于分别对所述第一目标温度和第二目标温度下所有像元的输出电压求平均值，得到和

差异量计算单元，用于根据所述的所有像元在第一目标温度和第二目标温度下的平均值，分别计算各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)；

电压调节量计算单元，用于依次对各像元在第一目标温度和第二目标温度下得到的两个输出电压差异量ΔV_i(T₁)和ΔV_i(T₂)进行运算，得到各像元所需的电压调节量ΔV_i；

查找表存储单元，用于存储查找表，并根据所述各像元的电压调节量在查找表中查询所需DAC(数字/模拟转换)偏移量；

校正单元，用于根据所述的DAC偏移量对非制冷红外焦平面阵列的非均匀性进行校正。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述的平均值计算单元中，在第一目标温度T₁和第二目标温度T₂下，所有像元的电压输出平均值分别由 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_1\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_1\right)$ 和 ${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)=\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 两个公式计算得到，其中M和N分别表示像元阵列的行数和列数。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的差异量计算单元中，各像元在第一目标温度和第二目标温度下的输出电压值与该温度下所有像元的输出电压平均值的输出电压差异量由和 ${\mathrm{\ΔV}}_i\left(T_1\right)={\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{out}}\left(T_2\right)-V_{\mathrm{out},i}\left(T_2\right)$ 计算得到。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电压调节量计算单元中，各像元所需的调节量由ΔV_i＝ΔV_i(T₁)+ΔV_i(T₂)计算得到。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的校正单元中，每个像元对应的列级电路只使用一个DAC数据。