非制冷红外探测器片上偏压逐点非均匀性校正方法

张 宁，柴孟阳，赵航斌，孙德新,3



非制冷红外探测器片上偏压逐点非均匀性校正方法

张 宁1,2，柴孟阳1，赵航斌1,2，孙德新1,2,3

（1. 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2.中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心，江苏 启东 226200）

针对非制冷红外焦平面阵列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）成像系统中普遍存在的非均匀性较差的问题，本文提出了一种基于探测器工作偏压对其输出影响来进行片上非均匀性校正（Non-uniformity Correction, NUC）的方法——探测器片上偏压逐点NUC技术。该方法是在探测器每一个像元关键偏压VEB和VFID上使用DAC供电，通过在积分前对每个像元的偏压进行单独的调整来校正其信号输出值。在不影响探测器帧频的情况下，实现了非均匀性从1.9%降低到0.4%，有效改善了探测器原始信号的非均匀性，且具有很好的实时性。

非制冷红外探测器；关键偏压；片上；非均匀性校正

0 引言

微测辐射热计（Microbolometer）是一种基于热敏电阻的红外探测器，其基本原理为光敏元的热敏材料通过吸收红外辐射引起自身阻值改变并转化为电信号输出。基于此技术的非制冷红外焦平面阵列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）探测系统具有价格低廉、体积小、功耗低、轻便灵活、可靠性高等[1]优点，发展十分迅猛。面阵非均匀性所引起的噪声是限制非制冷红外探测器发展水平的主要因素之一。目前非均匀性校正的软件处理的方法主要有两点法、多点法及人工神经网络法[2]等；硬件上有通过在信号调理电路中增加可编程增益调制模块[3]等。这些方法本质上都是在对探测器输出信号进行后处理，对探测器的原始输出信号并无改善，并且两点法等软件处理方法一般实时性较差。近年来，从探测器的特性出发，利用相关偏压对其原始信号进行实时非均匀性校正的新方法越来越受到重视[4]，但是目前此方法的实现文献中还鲜有报道。

本文从非制冷红外探测器本身特性出发，研究了一种新型的非均匀性校正方法，其原理为基于其成像相关的关键偏压与信号响应之间的关系特征，通过在探测器像元积分前，使用DAC对探测器每个像元的敏感偏压进行单独的调整来实现非均匀性校正的目的。此外，采用某国产非制冷长波红外探测器（Uncooled Long-wave Infrared Detector, ULWIR）芯片研制红外成像系统并验证此方法的有效性。有别于常用的后处理校正方法，本文提出的方法是基于探测器内部结构原理，从根本上改善其输出信号本身的非均匀性，并可与后续的信号处理的方法相互完善，对非制冷红外探测器尤其是国产非制冷红外成像系统的发展具有重要意义。

1 UIRFPA非均匀性及基于偏压逐点抑制方法

微测辐射热计型UIRFPA产生非均匀性的原因有多种，主要包括在制作过程中由于半导体材料不均匀、误差或者工艺[5]等原因导致各像元阻值差异以及其读出电路本身的差异等，而衬底温度变化导致的TCR（热敏电阻温度系数）非线性、像元支撑结构热导、发射率等[6]变化也会恶化其非均匀性。此外，非制冷红外探测器采用Rolling Shutter模式读出，如图1所示，其使用列放大器，探测器输出时，每一列像元共用同一个列积分放大器及参比偏置，共用部分的细微差异都很可能会在图像上体现为列噪声。

图1为基于微测辐射热计技术的UIRFPA的读出电路结构图。其输出采用非制冷红外探测器中广泛使用的CTIA[7]结构，Active为像元敏感元电阻，此电阻接收红外辐射并且阻值发生改变，b为参比偏置电阻，int为积分电容，int为积分电流。

图1 UIRFPA读出电路结构图

由像元结构可知其积分电流为：

int()＝b－p()＝(SK－TH_PMOS－EB)/b－(FID－GS_NMOS)/Active() (1)

积分完成后的采样电压为：

式(2)可近似为：

其中：

Active()＝0(1＋D) (4)

式中：cons为CTIA反向放大器正输入端电压；p()为像元的电流，b为b的电流；FID、EB为MOS管控制栅电压；TH_PMOS、GS_NMOS为MOS管阈值电压；SK为b偏置电压；int为积分时间；0为敏感单元在0温度下的阻值；为热敏系数TCR；D为像元与0的温差。由上式可以得出，偏压EB、FID对探测器输出有极大影响，每个像元的输出响应与偏压关系为：

由上式可知，探测器输出与偏压FID和EB成正比关系，当FID或EB增大时，探测器输出增大；当其减小时，探测器输出降低。

如图1所示，基于偏压的逐点校正方法通过在每个像元的EB及FID偏压上集成DAC[8]控制，通过在探测器积分前，逐个调整每个像元的偏压值来调整其输出响应，实现片上非均匀性校正。图2为进行非均匀性校正前后的非制冷红外探测器理想输出信号示意图，每一个电平都表示一个信号，偏压逐点校正目标就是将每一个像元的信号值都尽量向均值移动，高的调低偏压，低的调高偏压。其计算公式为如下：

若(,)为有效像元，则：

若(,)为盲元，则DAC指令均为0，即不调整。

式中：、探测器像元行列数；为盲元数；ovag为面阵响应均值；(,)为有效像元；Ins为相应DAC指令改变数；VEB(,)和VFID(,)为偏压控制DAC单位指令影响的每个像元输出改变步长值；round为取最近的整数。实际上硬件实现时，其校正精度主要取决于DAC量化精度。

图2 理想非均匀性校正过程

2 片上非均匀性校正的工程实现

2.1 非制冷红外成像系统结构

如图3所示为基于国产某型长波非制冷红外探测器设计红外成像系统原理框图。本系统以Altera cyclone iii FPGA为核心，主要由信号调理电路、ADC（AD9220，12bit量化，输入0～5V）、外部flash EPCS16芯片及网口PHY物理层芯片88E1111组成。工作时由FPGA为探测器提供驱动及配置，使用网口实现硬件电路与上位机软件间的通讯及图像数据传输。提前在外部FLASH芯片中存储一帧的校正数据，并且在系统上电后在FPGA内部生成模拟单口ROM存储这些校正数据，然后将每一个像元的校正数据读出并且写入探测器内部集成的DAC。由于数据量过大，需要先使用Matlab软件生成硬件语言Verilog HDL可识别的校正数据存储文件，即.mif文件。

该型UIRFPA内部为每一个像元的FID和EB偏压提供5位量化精度的DAC（外部管脚供电EB为3V，FID为5V），即每个像元的NUC配置数据由5位的EB数据和5位的FID数据构成，一共10位有效数据。表1为NUC配置数据说明，由于其最高位F为方向位，因此每个偏压一共有31档可调。表1为NUC配置数据说明。

图3 应用NUC的ULWIR原理框图

表1 NUC配置数据说明

2.2 逻辑时序控制

如图4为探测器驱动逻辑时序简图。EB和FID十位数据通过SDA2、SDA1、SDA0三根串行数据线在每行像元积分前的一个行周期里输入，每根线输入4位。此外，SDA0线兼作为帧开始探测器配置数据线。在合适的位置，给ROM提供读使能控制信号和地址，读出对应像元的NUC配置数据，并且通过这3根串行配置线写入探测器内部的DAC。其中，探测器主时钟频率MC为8MHZ，NUC配置时钟由于是串行，需要在一个MC周期内写入4位数据，其时钟频率SCLK为32M，帧频为50Hz，分辨率384×288，响应波长8～14mm。

图4 探测器驱动及NUC配置时序简图

3 实验测试与分析

本实验基于自行设计的非制冷长波红外成像系统实现基于偏压的逐点片上非均匀性校正功能。如图5所示为相机实物图及测试环境。其中测试条件为：积分电容：12.8pF；积分时间：16ms；黑体定标温度：300K（精度0.01K）；TEC探测器制冷温度为10℃。

图5 相机实物图及测试环境

图6 输出随指令调节偏压VEB关系图

图7 各像元统计直方图

图8 输出随指令调节偏压VFID关系图

图9 各像元统计直方图

图10为其中一行图像信号非均匀性校正前后的输出波形图，可以看到，校正前（图10(a)）图像中间部分有一个明显向下的弯曲弧度，校正后（图(b)）图像基本为一平直波形，弯曲弧度基本消失。图11为面阵黑体定标图像及各像元偏离均值幅值的统计直方图，其中图11(a)和(b)为非均匀性校正前的图像及各像元偏离均值统计直方图，可以得出，校正前响应差异值集中在－140DN～100DN值左右，其偏离均值幅值在偏压可调范围内。由于VFID斜率过大，VEB斜率值适中，考虑到提升校正精度，主要通过调整偏压EB来实现非均匀性校正。图11(c)和(d)为非均匀性校正后的图像及各像元偏离均值统计直方图，可以得出，校正后响应偏离均值幅值集中在－25DN～25DN值左右，较校正前（－140DN～100DN值）有了极大的改善。此外，校正前（图11(c)）每行的中间区域响应明显低于两侧区域，校正后（图11(d)）得到明显改善。

图12为调整黑体定标温度后，各定标温度下图像非均匀性对比，校正后非均匀性从1.9%左右降到0.4%左右，进一步验证了此方法有效。

图10 某行图像数据校正前(a)、后(b)输出波形图

图13为成像效果对比，图13(a)为校正前图像，图13(b)为非均匀性校正后图像，目标物体为电烙铁和热水。可以看到，校正后图像非均匀性得到了明显的改善。受限于DAC量化精度等影响，仍然存在一定的非均匀性，具备进一步提升空间。

4 结论

本文研究了微测辐射热计型非制冷红外探测器的输出随相关敏感偏压变化而变化的特点，提出了一种基于片内偏压逐点调制的非均匀性校正的新方法。并且采用国产某型集成了5位量化DAC控制偏压的长波非制冷红外探测器芯片自行设计红外成像系统验证实现了此方法，使非均匀性从1.9%降到了0.4%。本方法相对于传统信号后处理的非均匀性校正方法，从探测器内部结构出发，从硬件上实时改善其原始信号，不影响探测器帧频，并且可与常用的软件后处理方法相辅相成。其校正精度受限于实际硬件条件，通过提高DAC的量化位数可进一步提高量化精度，实现更有效的非均匀性校正功能，还可以实现基于温度的自校正功能，在无TEC及低功耗非制冷红外探测器的研制上有很广阔的应用前景。

图11 定标图像及各像元偏离均值统计直方图

图12 不同目标温度下面阵非均匀性

图13 成像对比

Fig.13 Imaging contrast

[1] Senveli S U. An uncooled microbolometer focal plane array using heating based resistance non-uniformity compensation[C]//,,, 2012, 8353: 83531E -83531E-10.

[2] 陈锐, 谈新权. 红外图像非均匀性校正方法综述[J]. 红外技术, 2002, 24(1):1-3.

CHEN Rui, TAN Xinquan. A review of infrared image non-uniformity correction methods[J]., 2002, 24(1): 1-3.

[3] 陈凯. 长波红外高光谱成像信息获取与处理关键技术研究[D]. 上海: 中国科学院研究生院(上海技术物理研究所), 2016: 60-72.

CHEN Kai. Key Technologies Research of Information Acquisition and Processing in Long-wave Infrared Hyperspectral Imaging[D]. Shanghai: University of Chinese Academy of Sciences, Shanghai: (Shanghai Institute of Technical Physics), 2016: 60-72.

[4] Parrish W J. Improvements in uncooled systems using bias equalization[C]//, 1999, 3698: 748-755.

[5] Tepegoz M, Akin T. Resistance non-uniformity correction method using bias heating for resistive type uncooled microbolometer FPAs[J]. Proceedings of SPIE on the International Society for Optical Engineering, 2007, 6542: 65423T-65423T-8.

[6] 周云. 无TEC非制冷红外焦平面读出电路的研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2013: 4-5.

ZHOU Yun. Research on TEC_less Uncooled Infrared Focal Plane Readout Interface Circuit[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2013: 4-5.

[7] 隋修宝. 非制冷凝视热像仪成像理论以及关键技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2009: 39-44.

SUI Xiubao. Research on the Imaging Theory and the Key Techniques of Uncooled Staring Thermal Imager[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2009: 39-44.

[8] Yildirim O O, Akin T. A dynamic resistance nonuniformity compensation circuit for uncooled microbolometer detector arrays[C]// Proceedings of SPIE on The International Society for Optical Engineering, 2006, 6206: 62061T-62061T-7.

On-chip Bias Point-by-Point Non-uniformity Correction of Uncooled Infrared Detector

ZHANG Ning1,2，CHAI Mengyang1，ZHAO Hangbin1,2，SUN Dexin1,2,3

(1.,,,200083,;2.,100049,3.,,,226200,)

Aiming at solving the problem of poor uniformity in uncooled infrared focal plane array imaging systems, a method for on-chip nonuniformity correction (NUC), which is a correction based on the effect of detector bias on its output, is proposed, i.e., a detector on-chip point-by-point NUC method. In this method, the key biasesEBandFIDof each pixel at the detector are powered by digital-to-analog convertors. The output signal is corrected by adjusting the bias of each pixel individually, before integration. As a result, the nonuniformity is reduced from 1.9% to 0.4% without affecting the frame rate. This method effectively improves the nonuniformity of the original signal of the detector and has good real-time performance.

uncooled infrared detector，key bias，on-chip，NUC

TN215

A

1001-8891(2017)08-0682-06

2017-01-09.

2017-03-13.

张宁（1991-），男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向为非制冷红外成像系统及噪声抑制技术的研究。E-mail：tjuzhangning@163.com。

孙德新（1972-），男，山东泰安人，博士生导师，研究方向为主要从事红外高光谱光电遥感技术研究。E-mail：sundexin@mail.sitp.ac.cn。

国家重点研发计划（2016YFB0500401），国家863计划（2014AA123201），国家高分辨率对地观测系统重大专项（A0106/1112）。