红外焦平面阵列传感器 非均匀性校正技术研究的最新进展

2016-05-12 19:33:49来源: 安防知识网 关键字:热成像技术  阵列传感器

    红外焦平面阵列的加工工艺精度问题造成了感应单元之间的差异,实际表现为针对相同的热目标,不同的感应单元响应值不同,解决这个问题的方法称为“非均匀性校正”技术。非均匀性校正是红外热成像设备成像和测温这两大基本功能的技术基础,直接决定了成像质量和测温精度。
  
    传统的非均匀性校正技术有三类:
  
    一点校正技术
  
    两点校正技术及其变种
  
    基于场景的校正技术
  
    两种新型校正法:
  
    两点二线校正法
  
    一线校正法
  
1. 一点校正技术
  
    一点校正技术是目前应用最广泛的红外热成像非均匀性校正技术,现在市场上带档片的设备都可以归到这一类里面。
  
    一点校正法的基本原理是:针对均匀辐照面,各个感应单元的目标值减相应的档片值,然后把差值换算为中值(或者平均值),从而达到校正的目的。

图1:某个感应单元在两个不同的均匀辐照面下的曲线(高温黑体和低温黑体)以及对应的内档片曲线。

  
    如图1所示,设黑体1和黑体2的曲线L1和L2分段后的直线表达式为:
  
    按一点校正法的规则1:假设L1//L2,则有:
  
    规则2:在一定的前腔室温度点下作校正计算,则有:
  
    规则3:目标响应值减去参考黑体值,则有:
  
    把每一个感应单元的测量值( 换算成对应的所有单元的中值(或平均值),就得到了一点校正法的校正系数。
  
    根据原理可知,一点校正法的假设条件是:针对均匀辐照面目标,(FPA温度,目标反应值)曲线与(FPA温度,参考黑体值)曲线是平行关系。
  
    如图1所示,针对不同温度值的黑体目标的响应曲线至少在宏观上看来确实是平行的。但实际数据差值曲线是这样:

  

图2:感应单元在两个不同的均匀辐照面下的测量值之差随腔体温度的变化图

  
    图2说明了在宏观上看起来平行的两条曲线,其实际数据却并不平行。这种差异一方面是测量时恒温箱温度不稳定的原因,另一方面也有感应单元在不同温度下的响应特性差异的原因。这种现象造成了一点校正法难以在整个工作温度范围内都得到理想校正效果。
  
    一点法在数学模型中把X轴方向的值固定,然后分别测量两个不同温度的均匀辐照面,通过减档片操作后,其校正系数仅剩直线的截距部分,亦即仅考虑了目标值的相对大小关系,而自身FPA温度、前腔温度、读出电路噪声等的影响都只能用分段校正的办法来解决。众多文献都指出,当分段区间超出±5K时,其校正效果将变得不可接受。
  
    一点法的缺点同时也是其优点。由于是仅针对目标响应值相对大小关系的校正,这就使得一点校正法可以在目标响应值与校正测量值相近时的任何情况下都能较好地成像。例如,一种很常见的实现方式是在环境温度、FPA温度变化后,通过实时动态调节积分时间、全局偏置等参数,让目标响应值回到与校正测量时相近的范围内,则成像一般不成问题,但这样处理后将导致测温算法复杂化甚至根本无法实现测温功能。
  
    各厂家在一点校正法的工艺实现中,还有个普遍的谬误:用高、低温黑体炉作校正测量,但在应用中却是用的档片机构(有内档片和外档片两种形式),此时档片起到的是参考黑体的作用。如果用外档片则还与校正测量的情况比较接近,但内档片差得就很离谱了。
  
    从图1中可以直观地看到这个问题。
  
    如果仅用一个定温黑体目标与档片值作校正测量,可以更好地与实际应用情况吻合,但这样一来,红外探测器与镜头之间的前腔室的状态,就必须保证在校正测量时与实际使用时基本一致,否则前腔室特别是内档片表面和探测器内部的微小温差都会直接反映在最终的成像上,典型现象是靠近发热一侧出现细密竖条。
  
    某些文献上把这一点表述为“前腔室无温差”,实际上并不准确。前腔室有无温差并不是问题,造成校正效果不好的原因其实是测量时与使用时前腔室温度分布状态的不一致。
  
    在热成像相机的传统实现中,参考黑体机构(内档片或外档片)一般用3V或5V直流电机驱动。一个并未仔细权衡设计的直流电机,在动作时可能会产生极大的温升,在实际热成像相机中,实测有电机温度超过环境温度达120℃以上的,这无疑会让图像质量与测温精度都大打折扣。
  
    要基本保证一点校正法能够得到较好的校正效果,则必须使前腔室温度与环境温度达到一个动态平衡的状态。
  
2. 两点校正技术
  
    两点校正法的基本原理,是把响应曲线分成多个连续的折线段,在每个折线段分别把所有感应单元换算为对应的中值(平均值)。只要折线段分得够细,自然就可以得到更好的校正效果。
  
    两点校正法在设备实际工作时不需要参考黑体,这一点是两点校正法与一点校正法的主要差别。
  
    有很多声称采用两点校正法的文献中,仍使用了如一点校正法一样的两个定温黑体目标作校正数据测量,这实际上仍然是一点校正法。
  
    有很多论述中因为一点法中有高、低两个目标于是认为这就是两点法中的“两点”,这种混乱的概念表述不利于对模型的理解和交流。
  
    一点法中高低两个目标值是在 FPA 温度相同时测得的高、低温两个均匀辐照面目标值,因为测量时要求“在相同的 FPA 温度下”,这就是叫“一点法”的由来;而两点法中的“两点”是指在不同 FPA 温度下的均匀辐照面测量值。
  
    两点法的实施难点在于分段区间的选择与分段数的取舍。更多的分段有更好的校正效果,但会造成数据存储量增加、生产工艺繁复以及更长的校正实施时间;分段太少又不能达到理想的校正效果。
  
    由于随着环境温度和目标的变化,各感应单元的响应率通常并不呈线性变化,因此把工作温度段简单地分为几个等分段的办法并不可取,这一点在焦平面探测器内部采用TEC恒温控制时表现得尤为显著。具体如何分段还需要在实际的设备上先作测量分析,至少需要在同型号设备上作这个分段划分测试,这就一方面难以保证全工作温度范围内的校正效果,另一方面也给生产工艺实施带来了很大的困难和不确定性,不利于大批量生产。
  
3. 基于场景的校正技术
  
    在产品实现上比较成熟的一点法和两点法都有各自的优缺点,而其数学模型又很简单直观,在其上继续深入研究看起来似乎已没有必要。近些年随着硬件处理能力的提高,各科研院所基本都把研究方向转向了基于场景的校正技术。
  
    基于场景的校正技术先假定各感应单元对相同目标的响应值应该是相同的,这当然是对的。但在各个具体的实现中,基本都不考虑设备本身尤其是红外传感器的特性,仅从目标反应值上入手处理,这样当然在模型上技术上看来很有高度,但其数据处理量、硬件性能要求、模型初始值的选取、收敛速度以及拖影现象等等问题,使得这种技术至少在近期很难达到实用水平。
  
    一点法与两点法都需要在工厂预校正,但基于场景的校正技术不需要预校正,这是它的优点。
  
4. 两点二线法校正技术(L2C2技术)
  
    两点二线校正法是两点法的改进算法。
  
    L2C2通过把多点采样后求得的校正系数模型化,从而极大地减少了数据存储量,也为连续得到理想的校正系数提供了条件。
  
    L2C2算法通过校正工艺和算法两方面的改进,避免了两点校正法中分段实施困难的问题,可以在传感器的整个正常响应区间内,保持校正精度基本稳定,波动较小。

  

图3:在不同的前腔温度点,不同腔温间隔时的两点法校正结果的标准差曲线

  
    L2C2算法在传统的两点法的基础上,需要按一定的规则(如目前通常采用的前腔室温度差,或者更武断的按时间间隔)首先计算校正系数,因此其计算量比传统的一点法和两点法都要大。
  
    普通的民用红外热成像产品需要在处理性能与成本间取舍平衡,其硬件实时处理性能通常较弱,很难作到每帧实时计算,L2C2方法在具体实施中采取的解决办法是设定一个合适的前腔(或者FPA)温度间隔。如图3所指出的,前腔温度间隔在±3℃范围以内时,已经可以把整帧校正后的非均匀性控制在很小的范围内,所以只要在这个温度范围内计算确定一次校正参数,就可以达到比较理想的校正效果。如果硬件性能允许,也可以取更小的温度间隔以实现更好的校正效果,但在温度间隔低于±2℃时,其校正精度并无明显提升,这个是由红外传感器、硬件电路等的综合噪声决定的,通过算法改进的空间已经不大。
  
5. 一线法校正技术(L2C技术)
  
    一线校正法L2C是把设备的结构和热传导设计、非均匀性校正模型、测温模型、校正工艺模型、校正设施成本、批量化生产要求等等诸多相关因素综合考虑后得出的一个非均匀性校正方法,是业界第一个非均匀性校正、测温以及工艺实现高度统一协调的新型红外焦平面阵列非均匀性算法。
  
    L2C校正法可把凝视型焦平面阵列传感器的非均匀性校正到一个全新的水平,与所有的传统校正技术相比,能够显著提高非均匀性校正水平,典型情况下可以得到1~6倍的指标提升,对改善成像质量和提高测温精度具有显著作用。
  
    L2C校正法的实时处理量大于一点法,与两点法相当,远远小于场景法。在现有基于一点法和两点法设计的设备上可以通过修改代码实现,无需增加硬件成本,也不需要有更高的硬件处理能力,其一般性实施就可以达到比较理想的校正效果。由于模型本身与设备各种特性的高度相关性以及清晰的模型逻辑关系,可以实现全自动无人校正过程,这为批量化生产提供了可靠的技术保证。
  
    根据L2C技术的模型特性,其具有实现如基于场景的校正技术一样的实时动态校正的潜力,即实现无需预校正的能力。
  
    L2C技术中没有档片概念,支持带TEC或不带TEC的红外传感器。如不带TEC则可显著降低功耗;无内档片则可缩小体积、减轻重量和减少故障点。它具有校正工艺简便、图像效果出众、测温精度高、硬件结构简化等诸多优点。
  
6. 各种校正技术的综合比较
  
    一点校正法和基于场景的实时动态校正法都是相对关系校正法,亦即这一类校正法还原的是数据的相对比例关系。
  
    两点校正法、两点二线校正法以及一线校正法是绝对关系校正法,这一类校正法还原的是数据的绝对数值量。
  
    理解了这一点,就能够在具体的产品设计、工艺实现中少走弯路。

  

  
    注1:部分支持,依赖于具体的工作模式和使用方式
  
    注2:无测温功能时可作到很大的适用范围,如-40~+60℃军标;有测温时生产周期很长
  
    注3:增大工作温度范围将成倍增大数据存储要求
  
    注4:数学模型支持动态校正技术,目前尚未实现
  
    (本文作者现任职于深圳市景阳科技股份有限公司热成像部)

关键字:热成像技术  阵列传感器

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/article_201605129555.html
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