红外探测器IWR读出模式在搜索系统中残影现象分析

杨 耿,王 超,刘纪洲

(1.32381部队,北京 100071； 2.华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外探测器读出电路的工作模式可分为两种,先积分后读出(ITR)和积分同时读出(IWR)模式[1-2],使用IWR读出模式,可以大大提高帧频,满足搜索系统中快速探测的需要[3]。

为研究在搜索系统中,红外探测器读出电路在IWR工作模式下,红外热像仪对强辐射目标成像时相邻帧的特点,本文利用回扫摆镜逐帧摆扫目标场景来模拟搜索系统的成像特点,发现选择IWR读出模式时,红外热像仪对高温目标成像会同时出现白影和黑影现象。针对这一现象,本文进行了大量的理论与实验分析,通过对残影进行建模,解释了残影的产生机制和特点,分析了残影现象对搜索系统可能产生的影响,并提出了可以减弱残影强度的途径。

2 原理分析

2.1 残影现象

本文利用回扫摆镜逐帧摆扫强辐射目标来模拟搜索系统的成像特点,设定摆镜摆动4个角度,红外探测器的读出模式选择IWR,然后对高温烙铁目标成像。如图1所示,可以观察到在摆镜回扫的4个位置都同时出现了白影和黑影现象,且白影的出现位置是下一帧烙铁的位置,而黑影的位置恰好是上一帧烙铁的位置。

图1 回扫中残影现象

切换ITR模式后,同样进行上述实验,在对应位置上则没有出现黑白残影。使用此系统更换不同的探测器后,发现现象一致。因此初步将问题定位在了探测器读出电路的工作模式上,接下来本文进行将进一步的分析。

2.2 残影现象分析

图2和图3是红外探测器读出电路的两种工作模式,在ITR模式中第(n+1)帧积分在第n帧所有信号读出完成后开始,而IWR模式中第(n+1)帧积分时,同时读出第n帧的信号。结合上图中出现的现象,发现白影和黑影恰好是前后帧图像的影响,而ITR模式没有出现,说明选择IWR模式时信号的积分和读出会相互影响,进而导致了残影的产生,将问题进一步定位到了探测器读出电路上。

图2 先积分后读出(ITR)模式

图3 积分同时读出(IWR)模式

接下来进一步阐述IWR读出模式的工作原理。如图4所示,选择IWR读出模式时,信号从积分到读出主要分为4步。

图4 IWR读出模式流程

以某型640×512探测器为例,来分析IWR模式的读出电路。图5是简化的单个像元读出电路示意图,其中Ci为积分电容,Cr是保持电容,Q。积分电容复位后电压值为Vr,若积分了Vint的信号电压,由于积分电容和保持电容采取抽电荷方式,因此积分电容此时电压值为Vr-Vint。开关闭合后,开始均分电荷过程,如图6所示。达到稳态后,达到下面状态:

图5 简化的读出电路示意图

图6 均分电荷过程

(1)

其中,ΔQ=Vn×Cr,Vn是保持电容中信号电压值。

整理后得到:

(2)

均分电荷结束后,积分电容开始复位,复位到Vr,开始积分下一帧信号,同时保持电容按像素分布顺序开始读出信号。此时,下一帧信号的积分与这帧信号的读出会相互影响,可能会导致残影的产生。

接下来具体分析下积分和读出过程。分析定义图1(b)为第n帧图像,图1(a)为第(n-1)帧图像,图1(c)为第(n+1)帧图像。采用IWR模式时,第n帧正在读出时,第(n+1)帧目标同时在进行积分,怀疑第n帧图像上的白影是第(n+1)帧积分强目标造成。同理第n帧在积分时,第n-1帧图像在读出,怀疑第n帧图像上的黑影是第(n-1)帧图像读出强目标造成。

首先进行白影现象的分析。如图7所示,设寄生电容的大小为Cjs,均分电荷结束后,保持电容的电压值为Vr-Vn,其中Vr是复位电压,Vn第n帧要读出的信号电压。积分电容复位结束后,积分电容电压值复位到Vr。由于积分电容和保持电容间有Vn的压差,为保持平衡,寄生电容的电压值将达到Vn。

开始积分第(n+1)帧信号时,由于是抽电荷方式,所以积分电容的电压值会减小,为保持平衡,电荷会从寄生电容转移到积分电容,直到寄生电容的电压值正好为0 V。

图7 第(n+1)帧开始积分的初态

图8 第(n+1)帧积分结束后的稳态

如图8所示,若第(n+1)帧正在积分的信号比较强时,积分电容的电压会继续减小,而寄生电容的电压值已经为0,就会从保持电容抽电荷到寄生电容。保持电容电压值会变小,即影响了第n帧信号的电压值。假设积分结束时从保持电容抽掉Q′个电荷,达到下面状态:

(3)

从公式(3)中可以看出,保持电容的电压值从(Vr-Vn)变为(Vr-(Vn+Q′/Cr)),抽走的电荷变多了,读出的信号电压值变大,在图像上即表现为白影,(Vn+Q′/Cr)是产生白影的电压值。

整理后得到寄生电容和保持电容有如下的关系:

(4)

2.3 黑影分析

积分电容复位过程同上。若第(n-1)帧准备读出的信号电压为Vn-1,初始状态时寄生电容的电压就为Vn-1。若第n帧积分的信号电压为Vint2,则第n帧积分结束后,会达到下面的状态,其中,Q是从保持电容中抽出来的电荷,储存在寄生电容中:

(5)

若第(n-1)帧读出的信号远远强于第n帧正在积分的信号,初态时寄生电容的电压值Vn-1将远远大于Vn,所以要积到同样的信号电平水平,则相当于从积分电容处抽走的电荷减少,即第n帧正在积分的信号电压值变小了,在图像上就会出现黑影现象。假设从积分电容处抽走的电荷减少了Q,造成电压值减少Δ,会有如下关系:

(6)

整理后得到寄生电容和保持电容的关系:

(7)

本节通过对黑白残影进行建模,求得寄生电容与保持电容的关系,得到公式(4)和公式(7)。进行实验,采集图像得到黑白残影图像,计算图像中白影、黑影、信号、背景的灰度值,对公式(4)和公式(7)进行解算,进行多组重复性实验后,计算得到寄生电容大致为保持电容的200倍左右,符合实际情况。这说明了对黑白残影的分析是正确的,即黑白影出现的原因是:探测器读出电路中的寄生电容影响了IWR读出模式中信号的积分和读出过程,使信号的电平发生改变,导致图像上产生了残影。

3 残影强度影响因素分析

通过上面的分析,解释了黑白残影的产生机制。要考虑黑白残影可能对搜索系统中产生的影响,要分析残影强度的影响因素。通过观察残影现象,发现当信号温度越高,与背景温差越大时,观察残影现象更明显,下面进一步分析影响残影的影响因素。

3.1 残影强度随目标温度变化关系

通过对电烙铁进行成像,分析残影强度与信号强度的变化关系。实验中改变电烙铁的温度从50～350 ℃,每次间隔变化20 ℃,背景是20 ℃的恒温黑体,固定积分时间10 ms,采集多帧图像,分析白影和黑影的强度变化,得到残影强度随信号温度变化关系如图9所示。计算中,将残影灰度值减掉背景灰度值当做残影强度。

图9 残影强度随目标温度变化关系

从9图中可以看出,随信号温度的升高,白影和黑影的强度会升高,且白影的变化更明显。图10和图11所示,实际观察中当烙铁温度低于70 ℃时,黑影显现不明显,但白影清楚可见,烙铁温度300 ℃,黑白残影都很明显。

图10 70 ℃烙铁

图11 300 ℃烙铁

3.2 残影强度随目标与背景温度差变化关系

进行以下实验验证残影与信号背景强度差关系:保证信号的强度不变,即固定电烙铁温度140 ℃,积分时间10 ms,改变背景黑体的温度从10 ～100 ℃时,采集多帧图像,分析残影强度与背景差的变化关系,如图12所示。

图12 残影强度与信号背景强度差的变化关系

可以看出,随着背景与目标的强度差的增大,白影和黑影的强度也呈增大趋势。图13和图14分别是温差70 ℃和110 ℃采集的图片,实验中观察到当温度差只要大于60 ℃时(灰度差20000左右),白影现象一直存在；而温度差大于110 ℃时(灰度差30000左右),黑影才开始出现。且残影与背景灰度差20个码值左右,就可以看到残影现象。

图13 温差70 ℃

图14 温差110 ℃

3.3 残影强度与积分时间变化关系

探测器信号的响应值与目标的强度和积分时间都有关系,3.1和3.2节已经确定了目标强度对残影现象的影响,需要进一步分析积分时间对残影强度的影响。

进行以下实验,保证背景温度20 ℃不变,改变信号的温度从50 ℃～350 ℃,观察白影强度的变化。过程中改变积分时间分别为15 ms,11 ms和8 ms,进行三组重复性实验,观察三组实验中残影强度的变化。

可以观察到,三组积分时间设定下,残影现象与信号强度的变化规律基本一致。当设定积分时间变长时,残影强度有一定程度的变化,但影响相对较小。

通过以上三组实验,发现得到残影强度主要与信号强度与背景温差有关,温差越大,残影出现的现象更加明显。还发现黑影比白影对温差更加敏感,同一温差下,白影比黑影更加明显。

图15 残影强度与积分时间变化关系

4 残影现象在搜索系统中的影响与解决措施

红外搜索系统是一种重要的探测预警手段,主要是通过判断目标的信噪比来识别目标,当目标距离较远时,目标在红外图像中表现为点目标,受到复杂背景杂波和噪声的影响很大,会产生虚警[4-5]。

针对红外探测器IWR模式对强辐射目标成像时产生残影的问题,在3.2节分析得到:当目标与背景温度差大于60 ℃时(灰度差20000左右),白影出现,且与背景的灰度值相差20码值左右,就清晰可见。目标与背景温度差越大,白影越明显。所以考虑白影的出现很可能会影响搜索系统中目标的识别。

假设在搜索系统中选择红外探测器IWR读出模式,如图所示,天空中有一架飞机飞过,如果飞机的尾焰温度足够高,则与背景天空产生很强的温度差,就很有可能产生在当前读出的画面中残留下一帧积分的画面。搜索系统识别目标过程中,则很有可能将残影视为目标,产生虚警。

针对上面的问题,必须要考虑消除白影的影响,否则很可能会引起虚警问题。从文中第2节分析出,白影的产生与探测器的寄生电容有关,要考虑消除白影现象,从根本上要解决探测器读出电路中的存在的寄生电容。分析读出电路的原理后发现,寄生电容是无法完全消除掉的,只能通过优化读出电路的设计去减小寄生电容值。当产生的白影弱化到背景电平时,在图像上观察不到白影的存在。

另外一种解决途径,考虑到白影的出现是有规律的,只有场景中出现温度远高于背景的强目标时,才有可能会产生白影,且白影出现的位置与图像的前后帧有关系。所以针对出现白影的场景找到前后帧白影出现的位置规律,通过图像处理手段可以减掉白影的影响。由于白影的产生条件需要背景与目标温差足够高,所以使用IWR模式时,实际使用中观察户外场景目标没发现白影现象,具体的解决白影的措施还需根据实际应用场景进行针对性研究。

5 结 论

针对红外探测器IWR读出模式在回扫摆镜逐帧摆扫目标场景过程中,对高温目标成像时出现的残影现象,本文进行了大量理论与实验分析,得出如下结论:探测器读出电路中寄生电容的存在会影响信号的积分和读出过程,使信号的电平发生改变,导致在图像上出现了残影。白影的出现原因是下一帧信号的积分影响当前帧信号的读出,而黑影的出现原因是上一帧信号读出时影响了当前帧信号的积分。通过对产生的残影进行建模,得到了寄生电容的公式,并通过实验验证了推导公式的合理性。

实验还分析了残影强度与目标强度,目标背景强度差和积分时间的关系,发现残影强度主要与目标和背景温度差有关,温度差越大,残影越明显。

本文分析残影的产生机制对与红外探测器IWR模式在搜索系统中的应用具有一定的指导意义,发现白影可能会导致搜索系统出现虚警问题,并提出了白影问题解决途径。但由于残影与目标和背景温度差有关,应用场景不同时残影的强度也会有变化,具体的解决措施还需根据实际应用场景进行针对性的研究。