紅外焦平面陣列傳感器 非均勻性校正技術(shù)研究的最新進(jìn)展

紅外焦平面陣列的加工工藝精度問(wèn)題造成了感應單元之間的差異，實(shí)際表現為針對相同的熱目標，不同的感應單元響應值不同，解決這個(gè)問(wèn)題的方法稱(chēng)為“非均勻性校正”技術(shù)。非均勻性校正是紅外熱成像設備成像和測溫這兩大基本功能的技術(shù)基礎，直接決定了成像質(zhì)量和測溫精度。
　　
傳統的非均勻性校正技術(shù)有三類(lèi)：
　　
一點(diǎn)校正技術(shù)
　　
兩點(diǎn)校正技術(shù)及其變種
　　
基于場(chǎng)景的校正技術(shù)
　　
兩種新型校正法：
　　
兩點(diǎn)二線(xiàn)校正法
　　
一線(xiàn)校正法
　　
1. 一點(diǎn)校正技術(shù)
　　
一點(diǎn)校正技術(shù)是目前應用最廣泛的紅外熱成像非均勻性校正技術(shù)，現在市場(chǎng)上帶檔片的設備都可以歸到這一類(lèi)里面。
　　
一點(diǎn)校正法的基本原理是：針對均勻輻照面，各個(gè)感應單元的目標值減相應的檔片值，然后把差值換算為中值(或者平均值)，從而達到校正的目的。

圖1：某個(gè)感應單元在兩個(gè)不同的均勻輻照面下的曲線(xiàn)(高溫黑體和低溫黑體)以及對應的內檔片曲線(xiàn)。

　　
如圖1所示，設黑體1和黑體2的曲線(xiàn)L1和L2分段后的直線(xiàn)表達式為：
　　
按一點(diǎn)校正法的規則1：假設L1//L2，則有：
　　
規則2：在一定的前腔室溫度點(diǎn)下作校正計算，則有：
　　
規則3：目標響應值減去參考黑體值，則有：
　　
把每一個(gè)感應單元的測量值( 換算成對應的所有單元的中值(或平均值)，就得到了一點(diǎn)校正法的校正系數。
　　
根據原理可知，一點(diǎn)校正法的假設條件是：針對均勻輻照面目標，(FPA溫度，目標反應值)曲線(xiàn)與(FPA溫度，參考黑體值)曲線(xiàn)是平行關(guān)系。
　　
如圖1所示，針對不同溫度值的黑體目標的響應曲線(xiàn)至少在宏觀(guān)上看來(lái)確實(shí)是平行的。但實(shí)際數據差值曲線(xiàn)是這樣：

圖2：感應單元在兩個(gè)不同的均勻輻照面下的測量值之差隨腔體溫度的變化圖

　　
圖2說(shuō)明了在宏觀(guān)上看起來(lái)平行的兩條曲線(xiàn)，其實(shí)際數據卻并不平行。這種差異一方面是測量時(shí)恒溫箱溫度不穩定的原因，另一方面也有感應單元在不同溫度下的響應特性差異的原因。這種現象造成了一點(diǎn)校正法難以在整個(gè)工作溫度范圍內都得到理想校正效果。
　　
一點(diǎn)法在數學(xué)模型中把X軸方向的值固定，然后分別測量?jì)蓚€(gè)不同溫度的均勻輻照面，通過(guò)減檔片操作后，其校正系數僅剩直線(xiàn)的截距部分，亦即僅考慮了目標值的相對大小關(guān)系，而自身FPA溫度、前腔溫度、讀出電路噪聲等的影響都只能用分段校正的辦法來(lái)解決。眾多文獻都指出，當分段區間超出±5K時(shí)，其校正效果將變得不可接受。
　　
一點(diǎn)法的缺點(diǎn)同時(shí)也是其優(yōu)點(diǎn)。由于是僅針對目標響應值相對大小關(guān)系的校正，這就使得一點(diǎn)校正法可以在目標響應值與校正測量值相近時(shí)的任何情況下都能較好地成像。例如，一種很常見(jiàn)的實(shí)現方式是在環(huán)境溫度、FPA溫度變化后，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調節積分時(shí)間、全局偏置等參數，讓目標響應值回到與校正測量時(shí)相近的范圍內，則成像一般不成問(wèn)題，但這樣處理后將導致測溫算法復雜化甚至根本無(wú)法實(shí)現測溫功能。
　　
各廠(chǎng)家在一點(diǎn)校正法的工藝實(shí)現中，還有個(gè)普遍的謬誤：用高、低溫黑體爐作校正測量，但在應用中卻是用的檔片機構(有內檔片和外檔片兩種形式)，此時(shí)檔片起到的是參考黑體的作用。如果用外檔片則還與校正測量的情況比較接近，但內檔片差得就很離譜了。
　　
從圖1中可以直觀(guān)地看到這個(gè)問(wèn)題。
　　
如果僅用一個(gè)定溫黑體目標與檔片值作校正測量，可以更好地與實(shí)際應用情況吻合，但這樣一來(lái)，紅外探測器與鏡頭之間的前腔室的狀態(tài)，就必須保證在校正測量時(shí)與實(shí)際使用時(shí)基本一致，否則前腔室特別是內檔片表面和探測器內部的微小溫差都會(huì )直接反映在最終的成像上，典型現象是靠近發(fā)熱一側出現細密豎條。
　　
某些文獻上把這一點(diǎn)表述為“前腔室無(wú)溫差”，實(shí)際上并不準確。前腔室有無(wú)溫差并不是問(wèn)題，造成校正效果不好的原因其實(shí)是測量時(shí)與使用時(shí)前腔室溫度分布狀態(tài)的不一致。
　　
在熱成像相機的傳統實(shí)現中，參考黑體機構(內檔片或外檔片)一般用3V或5V直流電機驅動(dòng)。一個(gè)并未仔細權衡設計的直流電機，在動(dòng)作時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生極大的溫升，在實(shí)際熱成像相機中，實(shí)測有電機溫度超過(guò)環(huán)境溫度達120℃以上的，這無(wú)疑會(huì )讓圖像質(zhì)量與測溫精度都大打折扣。
　　
要基本保證一點(diǎn)校正法能夠得到較好的校正效果，則必須使前腔室溫度與環(huán)境溫度達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。
　　
2. 兩點(diǎn)校正技術(shù)
　　
兩點(diǎn)校正法的基本原理，是把響應曲線(xiàn)分成多個(gè)連續的折線(xiàn)段，在每個(gè)折線(xiàn)段分別把所有感應單元換算為對應的中值(平均值)。只要折線(xiàn)段分得夠細，自然就可以得到更好的校正效果。
　　
兩點(diǎn)校正法在設備實(shí)際工作時(shí)不需要參考黑體，這一點(diǎn)是兩點(diǎn)校正法與一點(diǎn)校正法的主要差別。
　　
有很多聲稱(chēng)采用兩點(diǎn)校正法的文獻中，仍使用了如一點(diǎn)校正法一樣的兩個(gè)定溫黑體目標作校正數據測量，這實(shí)際上仍然是一點(diǎn)校正法。
　　
有很多論述中因為一點(diǎn)法中有高、低兩個(gè)目標于是認為這就是兩點(diǎn)法中的“兩點(diǎn)”，這種混亂的概念表述不利于對模型的理解和交流。
　　
一點(diǎn)法中高低兩個(gè)目標值是在 FPA 溫度相同時(shí)測得的高、低溫兩個(gè)均勻輻照面目標值，因為測量時(shí)要求“在相同的 FPA 溫度下”，這就是叫“一點(diǎn)法”的由來(lái);而兩點(diǎn)法中的“兩點(diǎn)”是指在不同 FPA 溫度下的均勻輻照面測量值。
　　
兩點(diǎn)法的實(shí)施難點(diǎn)在于分段區間的選擇與分段數的取舍。更多的分段有更好的校正效果，但會(huì )造成數據存儲量增加、生產(chǎn)工藝繁復以及更長(cháng)的校正實(shí)施時(shí)間;分段太少又不能達到理想的校正效果。
　　
由于隨著(zhù)環(huán)境溫度和目標的變化，各感應單元的響應率通常并不呈線(xiàn)性變化，因此把工作溫度段簡(jiǎn)單地分為幾個(gè)等分段的辦法并不可取，這一點(diǎn)在焦平面探測器內部采用TEC恒溫控制時(shí)表現得尤為顯著(zhù)。具體如何分段還需要在實(shí)際的設備上先作測量分析，至少需要在同型號設備上作這個(gè)分段劃分測試，這就一方面難以保證全工作溫度范圍內的校正效果，另一方面也給生產(chǎn)工藝實(shí)施帶來(lái)了很大的困難和不確定性，不利于大批量生產(chǎn)。
　　
3. 基于場(chǎng)景的校正技術(shù)
　　
在產(chǎn)品實(shí)現上比較成熟的一點(diǎn)法和兩點(diǎn)法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而其數學(xué)模型又很簡(jiǎn)單直觀(guān)，在其上繼續深入研究看起來(lái)似乎已沒(méi)有必要。近些年隨著(zhù)硬件處理能力的提高，各科研院所基本都把研究方向轉向了基于場(chǎng)景的校正技術(shù)。
　　
基于場(chǎng)景的校正技術(shù)先假定各感應單元對相同目標的響應值應該是相同的，這當然是對的。但在各個(gè)具體的實(shí)現中，基本都不考慮設備本身尤其是紅外傳感器的特性，僅從目標反應值上入手處理，這樣當然在模型上技術(shù)上看來(lái)很有高度，但其數據處理量、硬件性能要求、模型初始值的選取、收斂速度以及拖影現象等等問(wèn)題，使得這種技術(shù)至少在近期很難達到實(shí)用水平。
　　
一點(diǎn)法與兩點(diǎn)法都需要在工廠(chǎng)預校正，但基于場(chǎng)景的校正技術(shù)不需要預校正，這是它的優(yōu)點(diǎn)。
　　
4. 兩點(diǎn)二線(xiàn)法校正技術(shù)(L2C2技術(shù))
　　
兩點(diǎn)二線(xiàn)校正法是兩點(diǎn)法的改進(jìn)算法。
　　
L2C2通過(guò)把多點(diǎn)采樣后求得的校正系數模型化，從而極大地減少了數據存儲量，也為連續得到理想的校正系數提供了條件。
　　
L2C2算法通過(guò)校正工藝和算法兩方面的改進(jìn)，避免了兩點(diǎn)校正法中分段實(shí)施困難的問(wèn)題，可以在傳感器的整個(gè)正常響應區間內，保持校正精度基本穩定，波動(dòng)較小。

圖3：在不同的前腔溫度點(diǎn)，不同腔溫間隔時(shí)的兩點(diǎn)法校正結果的標準差曲線(xiàn)

　　
L2C2算法在傳統的兩點(diǎn)法的基礎上，需要按一定的規則(如目前通常采用的前腔室溫度差，或者更武斷的按時(shí)間間隔)首先計算校正系數，因此其計算量比傳統的一點(diǎn)法和兩點(diǎn)法都要大。
　　
普通的民用紅外熱成像產(chǎn)品需要在處理性能與成本間取舍平衡，其硬件實(shí)時(shí)處理性能通常較弱，很難作到每幀實(shí)時(shí)計算，L2C2方法在具體實(shí)施中采取的解決辦法是設定一個(gè)合適的前腔(或者FPA)溫度間隔。如圖3所指出的，前腔溫度間隔在±3℃范圍以?xún)葧r(shí)，已經(jīng)可以把整幀校正后的非均勻性控制在很小的范圍內，所以只要在這個(gè)溫度范圍內計算確定一次校正參數，就可以達到比較理想的校正效果。如果硬件性能允許，也可以取更小的溫度間隔以實(shí)現更好的校正效果，但在溫度間隔低于±2℃時(shí)，其校正精度并無(wú)明顯提升，這個(gè)是由紅外傳感器、硬件電路等的綜合噪聲決定的，通過(guò)算法改進(jìn)的空間已經(jīng)不大。
　　
5. 一線(xiàn)法校正技術(shù)(L2C技術(shù))
　　
一線(xiàn)校正法L2C是把設備的結構和熱傳導設計、非均勻性校正模型、測溫模型、校正工藝模型、校正設施成本、批量化生產(chǎn)要求等等諸多相關(guān)因素綜合考慮后得出的一個(gè)非均勻性校正方法，是業(yè)界第一個(gè)非均勻性校正、測溫以及工藝實(shí)現高度統一協(xié)調的新型紅外焦平面陣列非均勻性算法。
　　
L2C校正法可把凝視型焦平面陣列傳感器的非均勻性校正到一個(gè)全新的水平，與所有的傳統校正技術(shù)相比，能夠顯著(zhù)提高非均勻性校正水平，典型情況下可以得到1~6倍的指標提升，對改善成像質(zhì)量和提高測溫精度具有顯著(zhù)作用。
　　
L2C校正法的實(shí)時(shí)處理量大于一點(diǎn)法，與兩點(diǎn)法相當，遠遠小于場(chǎng)景法。在現有基于一點(diǎn)法和兩點(diǎn)法設計的設備上可以通過(guò)修改代碼實(shí)現，無(wú)需增加硬件成本，也不需要有更高的硬件處理能力，其一般性實(shí)施就可以達到比較理想的校正效果。由于模型本身與設備各種特性的高度相關(guān)性以及清晰的模型邏輯關(guān)系，可以實(shí)現全自動(dòng)無(wú)人校正過(guò)程，這為批量化生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保證。
　　
根據L2C技術(shù)的模型特性，其具有實(shí)現如基于場(chǎng)景的校正技術(shù)一樣的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正的潛力，即實(shí)現無(wú)需預校正的能力。
　　
L2C技術(shù)中沒(méi)有檔片概念，支持帶TEC或不帶TEC的紅外傳感器。如不帶TEC則可顯著(zhù)降低功耗;無(wú)內檔片則可縮小體積、減輕重量和減少故障點(diǎn)。它具有校正工藝簡(jiǎn)便、圖像效果出眾、測溫精度高、硬件結構簡(jiǎn)化等諸多優(yōu)點(diǎn)。
　　
6. 各種校正技術(shù)的綜合比較
　　
一點(diǎn)校正法和基于場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)校正法都是相對關(guān)系校正法，亦即這一類(lèi)校正法還原的是數據的相對比例關(guān)系。
　　
兩點(diǎn)校正法、兩點(diǎn)二線(xiàn)校正法以及一線(xiàn)校正法是絕對關(guān)系校正法，這一類(lèi)校正法還原的是數據的絕對數值量。
　　
理解了這一點(diǎn)，就能夠在具體的產(chǎn)品設計、工藝實(shí)現中少走彎路。

　　
注1：部分支持，依賴(lài)于具體的工作模式和使用方式
　　
注2：無(wú)測溫功能時(shí)可作到很大的適用范圍，如-40~+60℃軍標;有測溫時(shí)生產(chǎn)周期很長(cháng)
　　
注3：增大工作溫度范圍將成倍增大數據存儲要求
　　
注4：數學(xué)模型支持動(dòng)態(tài)校正技術(shù)，目前尚未實(shí)現
　　
(本文作者現任職于深圳市景陽(yáng)科技股份有限公司熱成像部)