CN109974866B - 一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法及校正电路 - Google Patents

一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法及校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法及校正电路，所述的校正方法包括调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述偏置电压的关系，以调节每一个像元的输出电压。本发明通过阵列偏压和像元偏压的两级校正，准确标定出失去探测能力的盲元，有效去除奇异点的影响，是产品出厂的重要评价指标，以此来保证红外焦平面探测器工作期间的可靠性。

Description

一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法及校正电路
技术领域
本发明属于红外成像系统领域，具体涉及一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法及校正电路。
背景技术
红外焦平面阵列探测器的制造工艺与成熟的硅基半导体集成电路工艺相兼容，可显著降低器件的制造成本，有效减小器件的体积、重量和功耗，因而得到飞速发展。
红外焦平面探测器由于受制造工艺、半导体材料的不均匀性等因素的限制，以及读出电路和光学元件等因素的影响，致使各像元的响应特性不一致，有些甚至完全失效成为盲元，导致非均匀性噪声较大，严重影响成像质量，已成为限制其发展的主要因素之一。因此，通过对红外图像进行非均匀性校正提升图像质量，对红外焦平面探测器的发展具有重要意义。目前，红外焦平面探测阵列在出厂前均需要进行非均匀性校正，获得像元校正参数的输出阵列，并在该校正条件下进行产品性能的测试和评价，同时标定出真正失去探测能力的盲元以判断是否达到出厂要求。
从探测器的特性出发，利用偏压对原始信号进行非均匀性校正的方法越来越受到重视，通过对每个像元Vfid和Veb偏压的调节获得均匀的阵列输出。然而，这种逐点偏压校正的方法需要针对每个像元分别进行Vfid和Veb遍历，校正过程耗时较长；且调节过程中步长一般采用固定值，不利于获得精确的校正参数，进而影响了像元性能的评价测试，也不利于区分出真正的盲元。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的一个目的是提供一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法，解决现有红外焦平面阵列由于生产因素造成的固有非均匀性的技术问题；本发明的另一个目的是提供一种实现所述校正方法的校正电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法，包括以下步骤：
调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；
在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压。
进一步地，所述的红外焦平面阵列的偏置电压包括红外焦平面阵列第一偏置电压和第二偏置电压，其中第一偏置电压为阵列的外接可调偏置电压，第二偏置电压为阵列黑体外接可调偏置电压。
进一步地，所述的调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压，包括：
调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000021
满足
Figure BDA0001991113890000031
最小，获取使
Figure BDA0001991113890000032
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，其中VREF为参考电压。
进一步地，所述的调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000033
满足
Figure BDA0001991113890000034
最小，获取使
Figure BDA0001991113890000035
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，包括：
步骤11，调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000036
满足
Figure BDA0001991113890000037
最小，获得
Figure BDA0001991113890000038
最小时所对应的V′FID；
步骤12，在红外焦平面阵列的第一偏置电压为V′FID的条件下，调节红外焦平面阵列的第二偏置电压VEB，获得
Figure BDA0001991113890000039
最小时所对应的V′EB。
进一步地，所述的在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压，包括：
固定
Figure BDA00019911138900000310
最小时所对应的VF′ID和VE′B，从红外焦平面阵列中任选一个像元(i,j)作为当前像元，若该当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|大于预设阈值M，则调节当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)和第二偏置电压Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M；
重复上述调节过程，直至红外焦平面阵列中任一个像元(i,j)输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M为止。
进一步地，所述的调节当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)和第二偏置电压Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，包括：
步骤21，以预设步长L1对当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节，若能够找到第一偏置电压Vfid(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第一偏置电压Vfid(i,j)；否则，执行步骤22；
步骤22，固定|VT(i,j)-VREF|最小时所对应的Vfid(i,j)，以预设步长L2对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节，若能够找到第二偏置电压Veb(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第二偏置电压Veb(i,j)；否则，执行步骤23；
步骤23，重新配置步长L1、L2，重复步骤21和步骤22；
步骤24，若在步长L1、L2的预设范围内遍历完成后未能使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M的像元，则将该当前像元记为不可调像元。
进一步地，所述的步骤24还包括：
若分布在红外焦平面阵列一列中的不可调像元超过设定阈值时，切换该列的列选通通道后再次测试，若某不可调像元再次测试仍被记为不可调像元，则将该像元标记为坏点。
进一步地，所述对第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节时，包括：
按照从小到大的顺序调节Vfid(i,j)，所述Vfid(i,j)的预设范围为0V-5V。
进一步地，所述对Vfid(i,j)进行调节时，每调节一次增加一个步长。
进一步地，所述对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节时，包括：
按照从大到小的顺序调节Veb(i,j)，所述Veb(i,j)的预设范围为2V-4V。
进一步地，所述对Veb(i,j)进行调节时，每调节一次减小一个步长。
进一步地，所述预设阈值M的取值范围为200mV-300mV。
进一步地，所述红外焦平面阵列第一偏置电压VFID的预设范围为0.5V-4.5V；所述第二偏置电压VEB的预设范围为2.5V-3.5V。
本发明还提供了一种用于实现所述红外焦平面阵列非均匀性校正方法的校正电路，包括：
第一调节模块，用于调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；以及：
第二调节模块，用于在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述偏置电压的关系，以调节每一个像元的输出电压。
本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：
1.本发明通过阵列偏置电压的调节，快速将焦平面上所有像元的平均值调至阈值范围内，检测出像元的输出响应异常的进行单个像元的校正，相比阵列中所有像元逐点校正的方法大大缩短了校正时间，获得焦平面阵列在工作环境下的校正参数；
2.本发明在红外焦平面阵列校正完成后，在异常像元校正前对偏置电压的步长进行了优化，当通过所选择的步长下进行像元的偏置电压的扫描无法满足条件时，进一步调节步长，获得满足范围的偏置电压，从而在适宜的步长下进行Vfid和Veb的调节，增加了像元校正的精度；
3.本发明通过阵列偏压和像元偏压的两级校正，准确标定出失去探测能力的盲元，有效去除奇异点的影响，是产品出厂的重要评价指标，以此来保证红外焦平面探测器工作期间的可靠性。
附图说明
图1为本发明红外焦平面阵列中单个像元的校正原理示意图；
图2为本发明的方法流程示意图；
图3为本发明的校正电路的示意图。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例提供了一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法，如图2所示，包括以下步骤：
调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；具体地：
步骤1，调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000061
满足
Figure BDA0001991113890000062
最小，获取并记录使
Figure BDA0001991113890000063
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，其中VREF为参考电压。
可选地，所述的预设范围内，是指阵列的VFID的范围在0.5～4.5V，VEB的范围在2.5～3V；VREF的取值范围为2-3.5V。
步骤1中，对像元上输出电压的调节过程为：
在同一温度T下，采集红外焦平面阵列中每个像元上的输出电压VT(i,j)，通过红外焦平面阵列中每个像元上的输出电压VT(i,j)得到温度T下红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000071
其中，
Figure BDA0001991113890000072
i为红外焦平面阵列中的列序号，j为红外焦平面阵列中的行序号，m为红外焦平面阵列中的列分辨率，n为红外焦平面阵列中的行分辨率，T表示温度。
如图1所示，以红外焦平面阵列中的单个像元为例，热敏电阻设置于像元内，黑体设置于像元外，在固定温度T下，像元热敏电阻和黑体的阻值保持不变，通过改变像元的第一偏置电压Vfid和第二偏置电压Veb的电压值，可以分别改变流经热敏电阻的电流I2、流经黑体的电流I1的电流值，从而获得不同的总的电流值I3；变化的I3通过电流/电压转换模块进行积分产生不同的像元输出电压值VT(i,j)。
红外焦平面阵列中，第一偏置电压为阵列的外接可调偏置电压，第二偏置电压为阵列黑体的外接可调偏置电压。同理，调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID控制的是整个阵列的电流I2，阵列的第二偏置电压VEB控制的是整个阵列的I1，通过调节阵列的第一偏置电压VFID、第二偏置电压VEB，可对阵列中像元上的输出电压的平均值进行调节。阵列的偏置电压是调节整个阵列输出电压的基准，将输出电压调至较佳的输出范围；而像元的偏置电压是调节每个像元，目的是使所有像元的输出电压趋于一致。
作为可选的方案，所述的调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000081
满足
Figure BDA0001991113890000082
最小，获取使
Figure BDA0001991113890000083
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，包括：
步骤11，调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure BDA0001991113890000084
满足
Figure BDA0001991113890000085
最小，获得
Figure BDA0001991113890000086
最小时所对应的V′FID；
步骤12，在红外焦平面阵列的第一偏置电压为V′FID的条件下，调节红外焦平面阵列的第二偏置电压VEB，获得
Figure BDA0001991113890000087
最小时所对应的V′EB。
在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压，具体包括：
步骤2，固定
Figure BDA0001991113890000088
最小时所对应的V′FID和V′EB，从红外焦平面阵列中任选一个像元(i,j)作为当前像元，若该当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|大于预设阈值M，则调节当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)和第二偏置电压Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M；
步骤3，重复步骤2，直至红外焦平面阵列中任一个像元(i,j)输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M为止。
其中，所述预设阈值M的取值范围为200mV-300mV。
作为上述技术方案的进一步优化：
步骤2中，所述的调节当前像元的偏置电压Vfid(i,j)和Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，具体包括：
步骤21，以预设步长L1对当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节，若能够找到第一偏置电压Vfid(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第一偏置电压Vfid(i,j)；否则，执行步骤22；
其中，所述的预设步长L1通过输出电流来体现，预设步长L1对应的输出电流为100μA，即在该步长选每增加1lsb电流就增加100μA。
优选地，对第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节时，包括：
按照从小到大的顺序调节Vfid(i,j)，所述Vfid(i,j)的预设范围为0V-5V；
对Vfid(i,j)进行调节时，每调节一次增加一个步长。
步骤22，固定|VT(i,j)-VREF|最小时所对应的Vfid(i,j)，以预设步长L2对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节，若能够找到第二偏置电压Veb(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第二偏置电压Veb(i,j)；否则，执行步骤23；
预设步长L2对应的输出电流为1mA，在该预设步长L2下，每增加1lsb电流增加1mA。
优选地，对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节时，包括：
按照从大到小的顺序调节Veb(i,j)，所述Veb(i,j)的预设范围为2V-4V。
对Veb(i,j)进行调节时，每调节一次减小一个步长。
步骤23，重新配置步长L1、L2，重复步骤21和步骤22；
如表1和表2所示，预设步长L1、L2可根据不同的实际情况进行配置，表1和表2中给出了不同的预设步长与输出电流的对应关系。
本实施例中预设的配置范围如下，在本实施例中，所针对的像元的条件为：25℃下，单个像元的阻值范围为60-170Ω。
(1)静态寄存器步长配置文件中步长设置如下：
第二偏置电压VEB的1步长(lsb)大小的选择范围如表1所示，从表1中可以看出，步长越大，对应每步长输出电流的变化量越大。比如配置的步长为0001，那么每增加1步长(lsb)电流就增加112.5uA；配置的步长为0011，则每增加1lsb电流就增加137.5uA。
表1第二偏置电压的1步长(lsb)的选择范围
Figure BDA0001991113890000101
(2)第一偏置电压VFID的1步长(lsb)大小的选择范围如表2所示，从表2中可以看出步长越大，输出电流变化量越大。
表2第一偏置电压的1步长(lsb)的选择范围
Figure BDA0001991113890000111
步骤24，若在预设步长L1、L2的预设范围内遍历完成后未能使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M的像元，则将该当前像元记为不可调像元。
其中，步长的预设范围通过对应的输出电流的范围来限定：
在步骤21对第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节时，预设步长L1调节对应的输出电流大于0小于等于250μA；在步骤22对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节时，预设步长L2调节对应的电流大于0小于等于2.5mA。
若分布在红外焦平面阵列一列中的不可调像元超过设定阈值时，切换该列的列选通通道后再次测试，若某不可调像元再次测试仍被记为不可调像元，则将该像元标记为坏点。
其中，设定阈值范围根据需要设定，例如不可调像元的数量达到3％～15％；以3％为例，即不可调像元占整列像元的百分比超过3％则切换选通通道。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种用于实现所述红外焦平面阵列非均匀性校正方法的校正电路，如图3所示，包括：
第一调节模块，用于调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；以及：
第二调节模块，用于在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述偏置电压的关系，以调节每一个像元的输出电压。
其中，第一调节模块的具体执行过程与前述的步骤1的内容相同，而第二调节模块的具体执行过程与前述的步骤2、3的内容相同，在此不赘述。

Claims (9)

1.一种红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
调节红外焦平面阵列的偏置电压,并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，所对应的红外焦平面阵列的偏置电压；
在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压；
所述调节红外焦平面阵列的偏置电压,并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，所对应的红外焦平面阵列的偏置电压包括：调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure FDA0002495571670000011
满足
Figure FDA0002495571670000012
最小，获取使
Figure FDA0002495571670000013
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，其中VREF为参考电压。
2.如权利要求1所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述的红外焦平面阵列的偏置电压包括红外焦平面阵列第一偏置电压和第二偏置电压，其中第一偏置电压为阵列的外接可调偏置电压，第二偏置电压为阵列黑体外接可调偏置电压。
3.如权利要求1所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述的调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID和第二偏置电压VEB，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure FDA0002495571670000014
满足
Figure FDA0002495571670000021
最小，获取使
Figure FDA0002495571670000022
最小时对应的第一偏置电压V′FID和第二偏置电压V′EB，包括：
步骤11，调节红外焦平面阵列的第一偏置电压VFID，使红外焦平面阵列中所有像元上的输出电压平均值
Figure FDA0002495571670000023
满足
Figure FDA0002495571670000024
最小，获得
Figure FDA0002495571670000025
最小时所对应的V′FID；
步骤12，在红外焦平面阵列的第一偏置电压为V′FID的条件下，调节红外焦平面阵列的第二偏置电压VEB，获得
Figure FDA0002495571670000026
最小时所对应的V′EB。
4.如权利要求3所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述的在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压，包括：
固定
Figure FDA0002495571670000027
最小时所对应的V′FID和V′EB，从红外焦平面阵列中任选一个像元(i,j)作为当前像元，若该当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|大于预设阈值M，则调节当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)和第二偏置电压Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M；
重复上述调节过程，直至红外焦平面阵列中任一个像元(i,j)输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M为止。
5.如权利要求4所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述的调节当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)和第二偏置电压Veb(i,j)，直至当前像元上的输出电压VT(i,j)满足|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，包括：
步骤21，以预设步长L1对当前像元的第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节，若能够找到第一偏置电压Vfid(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第一偏置电压Vfid(i,j)；否则，执行步骤22；
步骤22，固定|VT(i,j)-VREF|最小时所对应的Vfid(i,j)，以预设步长L2对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节，若能够找到第二偏置电压Veb(i,j)使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M，则记录此时的第二偏置电压Veb(i,j)；否则，执行步骤23；
步骤23，重新配置步长L1、L2，重复步骤21和步骤22；
步骤24，若在步长L1、L2的预设范围内遍历完成后未能使|VT(i,j)-VREF|小于等于预设阈值M的像元，则将该当前像元记为不可调像元。
6.如权利要求5所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述的步骤24还包括：
若分布在红外焦平面阵列一列中的不可调像元超过设定阈值时，切换该列的列选通通道后再次测试，若某不可调像元再次测试仍被记为不可调像元，则将该像元标记为坏点。
7.如权利要求5所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述对第一偏置电压Vfid(i,j)进行调节时，包括：
按照从小到大的顺序调节Vfid(i,j)，所述Vfid(i,j)的预设范围为0V-5V；
对Vfid(i,j)进行调节时，每调节一次增加一个步长；
所述对第二偏置电压Veb(i,j)进行调节时，包括：
按照从大到小的顺序调节Veb(i,j)，所述Veb(i,j)的预设范围为2V-4V；
对Veb(i,j)进行调节时，每调节一次减小一个步长。
8.如权利要求1所述的红外焦平面阵列非均匀性校正方法，其特征在于，所述红外焦平面阵列第一偏置电压VFID的预设范围为0.5V-4.5V；所述第二偏置电压VEB的预设范围为2.5V-3.5V。
9.一种用于实现权利要求1所述校正方法的校正电路，其特征在于，包括：
第一调节模块，用于调节并记录使红外焦平面阵列所有像元的输出电压的平均值与设定的参考电压最接近时，红外焦平面阵列的偏置电压；以及：
第二调节模块，用于在所述的偏置电压下，通过判断红外焦平面阵列中每一个像元的输出电压与所述参考电压的关系，以调节每一个像元的输出电压。
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