紅外焦平面陣列傳感器 非均勻性校正技術研究的最新進展

紅外焦平面陣列的加工工藝精度問題造成了感應單元之間的差異，實際表現(xiàn)為針對相同的熱目標，不同的感應單元響應值不同，解決這個問題的方法稱為“非均勻性校正”技術。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基礎，直接決定了成像質量和測溫精度。
　　
傳統(tǒng)的非均勻性校正技術有三類：
　　
一點校正技術
　　
兩點校正技術及其變種
　　
基于場景的校正技術
　　
兩種新型校正法：
　　
兩點二線校正法
　　
一線校正法
　　
1. 一點校正技術
　　
一點校正技術是目前應用最廣泛的紅外熱成像非均勻性校正技術，現(xiàn)在市場上帶檔片的設備都可以歸到這一類里面。
　　
一點校正法的基本原理是：針對均勻輻照面，各個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：某個感應單元在兩個不同的均勻輻照面下的曲線(高溫黑體和低溫黑體)以及對應的內檔片曲線。

　　
如圖1所示，設黑體1和黑體2的曲線L1和L2分段后的直線表達式為：
　　
按一點校正法的規(guī)則1：假設L1//L2，則有：
　　
規(guī)則2：在一定的前腔室溫度點下作校正計算，則有：
　　
規(guī)則3：目標響應值減去參考黑體值，則有：
　　
把每一個感應單元的測量值( 換算成對應的所有單元的中值(或平均值)，就得到了一點校正法的校正系數(shù)。
　　
根據(jù)原理可知，一點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)曲線與(FPA溫度，參考黑體值)曲線是平行關系。
　　
如圖1所示，針對不同溫度值的黑體目標的響應曲線至少在宏觀上看來確實是平行的。但實際數(shù)據(jù)差值曲線是這樣：

圖2：感應單元在兩個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說明了在宏觀上看起來平行的兩條曲線，其實際數(shù)據(jù)卻并不平行。這種差異一方面是測量時恒溫箱溫度不穩(wěn)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(xiàn)象造成了一點校正法難以在整個工作溫度范圍內都得到理想校正效果。
　　
一點法在數(shù)學模型中把X軸方向的值固定，然后分別測量兩個不同溫度的均勻輻照面，通過減檔片操作后，其校正系數(shù)僅剩直線的截距部分，亦即僅考慮了目標值的相對大小關系，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解決。眾多文獻都指出，當分段區(qū)間超出±5K時，其校正效果將變得不可接受。
　　
一點法的缺點同時也是其優(yōu)點。由于是僅針對目標響應值相對大小關系的校正，這就使得一點校正法可以在目標響應值與校正測量值相近時的任何情況下都能較好地成像。例如，一種很常見的實現(xiàn)方式是在環(huán)境溫度、FPA溫度變化后，通過實時動態(tài)調節(jié)積分時間、全局偏置等參數(shù)，讓目標響應值回到與校正測量時相近的范圍內，則成像一般不成問題，但這樣處理后將導致測溫算法復雜化甚至根本無法實現(xiàn)測溫功能。
　　
各廠家在一點校正法的工藝實現(xiàn)中，還有個普遍的謬誤：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中可以直觀地看到這個問題。
　　
如果僅用一個定溫黑體目標與檔片值作校正測量，可以更好地與實際應用情況吻合，但這樣一來，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與實際使用時基本一致，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直接反映在最終的成像上，典型現(xiàn)象是靠近發(fā)熱一側出現(xiàn)細密豎條。
　　
某些文獻上把這一點表述為“前腔室無溫差”，實際上并不準確。前腔室有無溫差并不是問題，造成校正效果不好的原因其實是測量時與使用時前腔室溫度分布狀態(tài)的不一致。
　　
在熱成像相機的傳統(tǒng)實現(xiàn)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。一個并未仔細權衡設計的直流電機，在動作時可能會產(chǎn)生極大的溫升，在實際熱成像相機中，實測有電機溫度超過環(huán)境溫度達120℃以上的，這無疑會讓圖像質量與測溫精度都大打折扣。
　　
要基本保證一點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)境溫度達到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)。
　　
2. 兩點校正技術
　　
兩點校正法的基本原理，是把響應曲線分成多個連續(xù)的折線段，在每個折線段分別把所有感應單元換算為對應的中值(平均值)。只要折線段分得夠細，自然就可以得到更好的校正效果。
　　
兩點校正法在設備實際工作時不需要參考黑體，這一點是兩點校正法與一點校正法的主要差別。
　　
有很多聲稱采用兩點校正法的文獻中，仍使用了如一點校正法一樣的兩個定溫黑體目標作校正數(shù)據(jù)測量，這實際上仍然是一點校正法。
　　
有很多論述中因為一點法中有高、低兩個目標于是認為這就是兩點法中的“兩點”，這種混亂的概念表述不利于對模型的理解和交流。
　　
一點法中高低兩個目標值是在 FPA 溫度相同時測得的高、低溫兩個均勻輻照面目標值，因為測量時要求“在相同的 FPA 溫度下”，這就是叫“一點法”的由來;而兩點法中的“兩點”是指在不同 FPA 溫度下的均勻輻照面測量值。
　　
兩點法的實施難點在于分段區(qū)間的選擇與分段數(shù)的取舍。更多的分段有更好的校正效果，但會造成數(shù)據(jù)存儲量增加、生產(chǎn)工藝繁復以及更長的校正實施時間;分段太少又不能達到理想的校正效果。
　　
由于隨著環(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性變化，因此把工作溫度段簡單地分為幾個等分段的辦法并不可取，這一點在焦平面探測器內部采用TEC恒溫控制時表現(xiàn)得尤為顯著。具體如何分段還需要在實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)工藝實施帶來了很大的困難和不確定性，不利于大批量生產(chǎn)。
　　
3. 基于場景的校正技術
　　
在產(chǎn)品實現(xiàn)上比較成熟的一點法和兩點法都有各自的優(yōu)缺點，而其數(shù)學模型又很簡單直觀，在其上繼續(xù)深入研究看起來似乎已沒有必要。近些年隨著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景的校正技術。
　　
基于場景的校正技術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。但在各個具體的實現(xiàn)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上看來很有高度，但其數(shù)據(jù)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(xiàn)象等等問題，使得這種技術至少在近期很難達到實用水平。
　　
一點法與兩點法都需要在工廠預校正，但基于場景的校正技術不需要預校正，這是它的優(yōu)點。
　　
4. 兩點二線法校正技術(L2C2技術)
　　
兩點二線校正法是兩點法的改進算法。
　　
L2C2通過把多點采樣后求得的校正系數(shù)模型化，從而極大地減少了數(shù)據(jù)存儲量，也為連續(xù)得到理想的校正系數(shù)提供了條件。
　　
L2C2算法通過校正工藝和算法兩方面的改進，避免了兩點校正法中分段實施困難的問題，可以在傳感器的整個正常響應區(qū)間內，保持校正精度基本穩(wěn)定，波動較小。

圖3：在不同的前腔溫度點，不同腔溫間隔時的兩點法校正結果的標準差曲線

　　
L2C2算法在傳統(tǒng)的兩點法的基礎上，需要按一定的規(guī)則(如目前通常采用的前腔室溫度差，或者更武斷的按時間間隔)首先計算校正系數(shù)，因此其計算量比傳統(tǒng)的一點法和兩點法都要大。
　　
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，其硬件實時處理性能通常較弱，很難作到每幀實時計算，L2C2方法在具體實施中采取的解決辦法是設定一個合適的前腔(或者FPA)溫度間隔。如圖3所指出的，前腔溫度間隔在±3℃范圍以內時，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，所以只要在這個溫度范圍內計算確定一次校正參數(shù)，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現(xiàn)更好的校正效果，但在溫度間隔低于±2℃時，其校正精度并無明顯提升，這個是由紅外傳感器、硬件電路等的綜合噪聲決定的，通過算法改進的空間已經(jīng)不大。
　　
5. 一線法校正技術(L2C技術)
　　
一線校正法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)要求等等諸多相關因素綜合考慮后得出的一個非均勻性校正方法，是業(yè)界第一個非均勻性校正、測溫以及工藝實現(xiàn)高度統(tǒng)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全新的水平，與所有的傳統(tǒng)校正技術相比，能夠顯著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，對改善成像質量和提高測溫精度具有顯著作用。
　　
L2C校正法的實時處理量大于一點法，與兩點法相當，遠遠小于場景法。在現(xiàn)有基于一點法和兩點法設計的設備上可以通過修改代碼實現(xiàn)，無需增加硬件成本，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性以及清晰的模型邏輯關系，可以實現(xiàn)全自動無人校正過程，這為批量化生產(chǎn)提供了可靠的技術保證。
　　
根據(jù)L2C技術的模型特性，其具有實現(xiàn)如基于場景的校正技術一樣的實時動態(tài)校正的潛力，即實現(xiàn)無需預校正的能力。
　　
L2C技術中沒有檔片概念，支持帶TEC或不帶TEC的紅外傳感器。如不帶TEC則可顯著降低功耗;無內檔片則可縮小體積、減輕重量和減少故障點。它具有校正工藝簡便、圖像效果出眾、測溫精度高、硬件結構簡化等諸多優(yōu)點。
　　
6. 各種校正技術的綜合比較
　　
一點校正法和基于場景的實時動態(tài)校正法都是相對關系校正法，亦即這一類校正法還原的是數(shù)據(jù)的相對比例關系。
　　
兩點校正法、兩點二線校正法以及一線校正法是絕對關系校正法，這一類校正法還原的是數(shù)據(jù)的絕對數(shù)值量。
　　
理解了這一點，就能夠在具體的產(chǎn)品設計、工藝實現(xiàn)中少走彎路。

　　
注1：部分支持，依賴于具體的工作模式和使用方式
　　
注2：無測溫功能時可作到很大的適用范圍，如-40~+60℃軍標;有測溫時生產(chǎn)周期很長
　　
注3：增大工作溫度范圍將成倍增大數(shù)據(jù)存儲要求
　　
注4：數(shù)學模型支持動態(tài)校正技術，目前尚未實現(xiàn)
　　
(本文作者現(xiàn)任職于深圳市景陽科技股份有限公司熱成像部)