李賾浩,廖守億,張作宇

(火箭軍工程大學(xué)控制科學(xué)與工程系,陜西 西安 710025)

1 引 言

紅外目標(biāo)景象模擬是紅外技術(shù)發(fā)展歷程中的重要產(chǎn)物,隨著國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)的進(jìn)步,人們對(duì)該技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。在紅外成像半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,紅外目標(biāo)仿真技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一,紅外目標(biāo)模擬器可以將計(jì)算機(jī)生成的紅外灰度圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)紅外投射器件產(chǎn)生紅外熱圖像。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,目前已有多種紅外景象投射器件,如液晶光閥、激光二極管陣列、紅外CRT、電阻陣列、數(shù)字微鏡等等。電阻陣列具有輻射溫度范圍寬、圖像幀頻高、光譜譜帶寬的優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)目前最符合紅外仿真需求的,也是發(fā)展最快和更有發(fā)展?jié)摿Φ耐渡淦骷?/p>

電阻陣列存在非均勻性的問(wèn)題,這是影響紅外圖像投射質(zhì)量的重要因素,也是一直以來(lái)相關(guān)研究的重點(diǎn)之一,其中澳大利亞防衛(wèi)科技組織在該領(lǐng)域做過(guò)大量的研究工作,掌握最前沿的技術(shù)水準(zhǔn),為此后的研究者提供了借鑒和參考。Jones等[1]人于1997年提出了簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)非均勻性校正流程。通過(guò)輻射像元響應(yīng)曲線求得校正的偏置值和增益值,并將校正參數(shù)存儲(chǔ)于查找表中,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正。2003年,Brecck Sielinger和James Norman[2]提出基于稀疏網(wǎng)格的測(cè)試方法,避免了電阻陣列像元熱串?dāng)_對(duì)非均勻測(cè)試產(chǎn)生的影響。2005年,Mark H.Bowden和James A.Buford等[3]人提出了一種逆電阻陣列像元響應(yīng)特性測(cè)試方法,該方法可以抵消襯底加熱對(duì)像元響應(yīng)測(cè)試的影響。2012年,SBIRS的Joe LaVeignea等[4]人,采用混合非均勻性校正方法——稀疏網(wǎng)格法(Sparse grid)和全屏測(cè)試法(Flood)結(jié)合,對(duì)KHILS的MIRAGE H 512×512電阻陣列進(jìn)行了非均勻性校正改進(jìn)研究,校正后非均勻性降至1%以下?？偟膩?lái)說(shuō),國(guó)外非均勻校正研究起步早,效果明顯,能夠有效減輕測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的圖像退化模糊、邊緣效應(yīng)和莫爾條紋等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初才首次進(jìn)行了非均勻測(cè)試,在國(guó)外研究方法的基礎(chǔ)上加以驗(yàn)證和完善。2004年基于中科院上海技術(shù)物理研究所研制的64×64硅橋電阻陣列,南京理工大學(xué)的沈劍雷[5]對(duì)其進(jìn)行了非均勻性測(cè)試,并利用對(duì)輸入數(shù)據(jù)的修正改善了電阻陣列的非均勻性。2007年西北工業(yè)大學(xué)的張凱[6]對(duì)128×128電阻陣列建立了電壓溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)表格,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電阻陣列的修正。近年來(lái),第二炮兵工程大學(xué)的蘇德倫、楊春偉、朱巖等[7-9]人對(duì)稀疏網(wǎng)格法和全屏測(cè)試法做過(guò)原理及方法的描述,比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn),嘗試解決測(cè)試中的遺留問(wèn)題并提出新的測(cè)試方法,取得了一定的成果。但是以上方法在校正步驟上不夠細(xì)致,在精度和實(shí)用性方面也有待提升。本文詳細(xì)分析了稀疏網(wǎng)格和全屏測(cè)試兩種非均勻測(cè)試方法,并結(jié)合國(guó)產(chǎn)電阻陣列實(shí)際情況,提出了兩種改進(jìn)的非均勻校正流程——基于線性插值的校正和基于盲迭代的校正。通過(guò)仿真驗(yàn)證了二者的實(shí)效,得到很好地校正效果,提高了非均勻校正方法的實(shí)用性。

2 非均勻校正原理

2.1 非均勻性的成因

電阻陣列的發(fā)展經(jīng)歷了薄膜電阻、硅橋電阻、懸浮薄膜電阻,在結(jié)構(gòu)上得到逐步優(yōu)化,性能提升明顯。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,其仍存在不可忽視的缺點(diǎn),即相同的驅(qū)動(dòng)下,各個(gè)電阻輻射元所表現(xiàn)出來(lái)的響應(yīng)特性是不相同的,如圖1。橫坐標(biāo)為電壓,縱坐標(biāo)為輻射亮度灰度值。

圖1 像元輻射特性曲線

其成因主要有:

(1)電阻在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中基底材料不均勻、輻射率差異和反射率的不同；

(2)因供電電流較大導(dǎo)致器件地線上電位不均勻引起的總線壓降；

(3)電容維持時(shí)間內(nèi)的電壓下降；

(4)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí),導(dǎo)致的像元周圍襯底的局部溫度過(guò)高。

針對(duì)以上原因通常采取措施如下:

(1)改善材料和生產(chǎn)工藝；

(2)改善電阻陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

(3)改善驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)；

(4)改善襯底散熱。

但是電阻陣列因本身材料工藝帶來(lái)的非均勻性卻是最難克服的,盡管不斷完善其性能仍難以進(jìn)一步提升。因此非均勻性校正就顯得愈發(fā)重要。

2.2 非均勻校正步驟

非均勻校正,通常是對(duì)輻射像元的輸入進(jìn)行校正。首先必須測(cè)試出每個(gè)像元的響應(yīng),計(jì)算輻射亮度與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系并得到校正所用的補(bǔ)償參數(shù),生成數(shù)據(jù)查找表以供在實(shí)時(shí)校正過(guò)程中調(diào)用。非均勻校正一般分為線性化環(huán)節(jié)和校正環(huán)節(jié)。

在以往實(shí)驗(yàn)中,所用電阻陣列的輻射響應(yīng)非線性特征明顯,為選取更少的實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)以降低工作量,減少插值的非線性誤差,在校正時(shí)加入線性化環(huán)節(jié)。線性化一般方法是:計(jì)算輻射像元的平均響應(yīng)曲線,以其作為該陣列校正時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)參考曲線,然后求取反函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖2。橫坐標(biāo)為輻射亮度灰度值,縱坐標(biāo)為電壓。

圖2 像元平均響應(yīng)反函數(shù)曲線

經(jīng)過(guò)線性化過(guò)程處理后,對(duì)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條曲線擬合可得出如圖3中的近似線性關(guān)系,即是將電壓與輸出輻射亮度的關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換為平均輸出亮度與各個(gè)像元輻射亮度之間的關(guān)系。從其曲線上選取若干個(gè)斷點(diǎn)計(jì)算線性插值,進(jìn)而獲得校正輸入所用的增益與偏置值以生成查找表數(shù)據(jù)。

圖3 線性化后響應(yīng)曲線

綜上所述,目前廣泛采用的實(shí)時(shí)校正流程如圖4,圖中Lin為給定輸入,Lcorr為校正后輸入,U為驅(qū)動(dòng)電壓。

圖4 非均勻校正流程

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 圖像退化

已知校正像元需要測(cè)得響應(yīng)曲線,逐一測(cè)量是不切實(shí)際的,隨著陣列規(guī)模的增大,測(cè)試工作往往耗時(shí)耗力。又因?yàn)樘綔y(cè)圖像在形成、記錄、處理、傳輸過(guò)程中由于成像系統(tǒng)、記錄設(shè)備、處理方法和傳輸介質(zhì)的不完善會(huì)產(chǎn)生的圖像退化,引起電阻元輻射能量在探測(cè)器表面的擴(kuò)散,相鄰像元之間輻射能量會(huì)部分重疊,給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差,如圖5所示。

圖5 圖像退化

因此為了防止探測(cè)像元能量的互相干擾,提高測(cè)量效率,便出現(xiàn)了間隔若干像元點(diǎn)亮測(cè)試的方法——稀疏網(wǎng)格法。圖像f(x,y)退化的過(guò)程可以用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示,h(x,y)表示退化函數(shù),n(x,y)為噪聲:

g(x,y)=f(x,y)*h(x,y)+n(x,y)

(1)

3.2 非均勻測(cè)試方法

3.2.1 稀疏網(wǎng)格法

稀疏網(wǎng)格法是避免測(cè)試時(shí)鄰近像元能量重疊的一種方法,它將電阻陣列平面分成若干網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格有n×n個(gè)像元。每次測(cè)試中,僅點(diǎn)亮每個(gè)網(wǎng)格中同一位置的像元,這樣能保證每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)亮像元成像時(shí)能量的擴(kuò)散不會(huì)互相干擾,如圖6(a),因此無(wú)需獲取點(diǎn)擴(kuò)散情況。在下一輪測(cè)試中各網(wǎng)格同時(shí)移動(dòng)點(diǎn)亮的像元位置,直至網(wǎng)格中所有像元測(cè)試完為止。此方法雖然工作量較大,但相較于逐個(gè)測(cè)試效率要高許多,并且能保證精確程度。

圖6 稀疏網(wǎng)格測(cè)試法和逆稀疏網(wǎng)格測(cè)試法

該方法原理簡(jiǎn)單,不用投射像元和探測(cè)像元的精確對(duì)準(zhǔn),對(duì)映射比例沒(méi)有嚴(yán)格的要求,魯棒性好。但是存在信噪比差的缺點(diǎn),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓較低的時(shí)候容易被環(huán)境噪聲干擾,因此稀疏網(wǎng)格法常用于高壓驅(qū)動(dòng)的情況。為解決低驅(qū)動(dòng)信號(hào)容易被湮滅的問(wèn)題,逆稀疏網(wǎng)格法被提出。

逆稀疏網(wǎng)格法的測(cè)試恰好與稀疏網(wǎng)格法相反,測(cè)試中將網(wǎng)格全部點(diǎn)亮,然后熄滅各個(gè)網(wǎng)格中同一位置的像元,通過(guò)評(píng)估網(wǎng)格中能量的損失來(lái)確定該像元的輻射強(qiáng)度,如圖6(b)。逆稀疏網(wǎng)格法解決了低壓影響,也避免的全屏測(cè)試法的發(fā)射源輸出互相重疊,導(dǎo)致采樣困難的問(wèn)題。然而在高壓驅(qū)動(dòng)時(shí),該測(cè)試方法如全屏測(cè)試法一樣會(huì)因電流過(guò)大導(dǎo)致輻射陣列承受不住所給的驅(qū)動(dòng)電流。并且需要進(jìn)行像元的對(duì)準(zhǔn)。因?yàn)橐坏┥婕按竺娣e點(diǎn)亮像元,就不可避免引入條紋干擾,盡可能的像元對(duì)準(zhǔn)是必要的。

3.2.2 全屏測(cè)試法

Flood法是繼稀疏網(wǎng)格法之后提出的一種有效測(cè)試方式。它擁有效率高、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn),適合實(shí)驗(yàn)中采用。該方法也存在算法復(fù)雜、需要光學(xué)配準(zhǔn)、容易引入干擾因素的問(wèn)題[10]。光學(xué)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高都是成為影響其成像質(zhì)量及亮度測(cè)量的外在原因。Flood方法的特點(diǎn)是在測(cè)量電阻響應(yīng)情況時(shí)同時(shí)點(diǎn)亮整片區(qū)域,然后可通過(guò)逐步迭代,從模糊圖像中提取出非均勻信息并補(bǔ)償非均勻性,使得投射圖像最終趨于預(yù)設(shè)亮度。校正過(guò)程中如何處理像元之間的能量重疊以及采樣噪聲的影響是難點(diǎn)。

4 改進(jìn)的非均勻校正方法

4.1 簡(jiǎn)化的非均勻校正

結(jié)合正、逆稀疏網(wǎng)格法的特點(diǎn),高壓區(qū)采用正稀疏網(wǎng)格法,低壓區(qū)采用逆稀疏網(wǎng)格法,恰好避免了二者的測(cè)試缺陷。第一節(jié)中已介紹了通用的非均勻校正流程,研究者對(duì)于電阻陣列的響應(yīng)曲線特性給出了校正前先線性化的解決辦法。而實(shí)際由國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的電阻陣列的響應(yīng)曲線在對(duì)應(yīng)高驅(qū)動(dòng)、低驅(qū)動(dòng)區(qū)域非線性程度不高,因此線性化環(huán)節(jié)在校正過(guò)程中是可以省去的。這樣則簡(jiǎn)化了實(shí)時(shí)校正過(guò)程,提高了運(yùn)算速度,無(wú)需嚴(yán)苛的操作環(huán)境和高性能的硬件設(shè)施。該方法不僅操作簡(jiǎn)單,也同樣具備較高的精確度。具體步驟如下:

(1)對(duì)陣列進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選取若干個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn),依次作為輸入信號(hào)。在高壓和低壓驅(qū)動(dòng)時(shí),分別按照正、逆稀疏網(wǎng)格法的測(cè)試方式測(cè)得每個(gè)輻射像元的若干組響應(yīng),經(jīng)過(guò)三次樣條擬合成曲線,如圖7所示。橫坐標(biāo)為電壓,縱坐標(biāo)為輻射亮度。

圖7 國(guó)產(chǎn)陣列電阻響應(yīng)曲線

(2)省去線性化環(huán)節(jié)后,此時(shí)可以對(duì)該擬合出的曲線求反函數(shù)并直接進(jìn)行分段線性插值。因其弱非線性,分段點(diǎn)不必選擇過(guò)多。低壓部分?jǐn)帱c(diǎn)可選擇較稀疏,隨著電壓增加,相應(yīng)的亮度變化率較快,因此該部分可多分幾段,直到基本能保證一定誤差范圍即可。插值得出的曲線方程如式(2),通過(guò)關(guān)系式可得到校正后的電壓值。

(2)

(3)每個(gè)輻射像元按照同樣步驟得到校正關(guān)系式,計(jì)算各分段亮度范圍內(nèi)的增益和偏置,生成校正查找表存于計(jì)算機(jī)內(nèi)存。以上步驟均在“線下”完成。

“線上”部分為校正部分,由計(jì)算機(jī)輸入需要投射的亮度信息,在驅(qū)動(dòng)電阻前調(diào)用校正查找表。對(duì)不同的電阻元,根據(jù)輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓,經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后即可用于驅(qū)動(dòng)電阻陣列,如圖8,圖中Lin為給定輸入,U為校正后驅(qū)動(dòng)電壓。

圖8 簡(jiǎn)化的非均勻校正流程

4.2 改進(jìn)的線性插值法

盲迭代法是基于Flood方法中最簡(jiǎn)單最基本的校正手段,就是在點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)未知的情況下進(jìn)行的一種圖像復(fù)原方式[11]。在理想條件下,它是一種很好的非均勻校正手段。它的使用條件是輻射像元和探測(cè)像元能夠1∶1精確對(duì)準(zhǔn),從而可以避免莫爾條紋的出現(xiàn)；經(jīng)驗(yàn)證,當(dāng)映射比大于1.3時(shí),莫爾條紋對(duì)校正的影響可以忽略。其迭代原理如圖9所示。

圖9 Flood盲迭代法

探測(cè)一幅經(jīng)過(guò)退化的紅外圖像u,G為標(biāo)準(zhǔn)輸入灰度圖;以固定噪聲N模擬非均勻信息,h為退化函數(shù):

u=Gout=(G×N)?h

(3)

(4)

非均勻信息提取過(guò)程是將本次迭代產(chǎn)生的增益與之前的累乘在一起得到Gnuc,再將此數(shù)據(jù)用于補(bǔ)償輸入:

(5)

但是以上條件的實(shí)現(xiàn)比較困難,對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器環(huán)境要求比較高。為了使得該方法能適用于更普通的情況,則考慮結(jié)合稀疏網(wǎng)格法的測(cè)試特點(diǎn)。校正過(guò)程如圖10所示。

圖10 改進(jìn)線性插值法

在改進(jìn)的插值法中,數(shù)據(jù)的測(cè)試過(guò)程用到稀疏網(wǎng)格法的點(diǎn)亮方式和全屏測(cè)試法的數(shù)據(jù)處理方式。根據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的迭代計(jì)算,存儲(chǔ)每一個(gè)輻射像元的增益值,并以該增益作為輻射輸入的函數(shù)值。測(cè)試時(shí)根據(jù)能量的彌散程度適當(dāng)選擇網(wǎng)格大小,保證相互之間的間隔使得能量重疊較少又不至于太密。這樣不僅能通過(guò)數(shù)次迭代準(zhǔn)確地得到探測(cè)數(shù)據(jù),也不要求嚴(yán)格的像元對(duì)準(zhǔn),既提高了非均勻校正精度,加快收斂速度,又能減少測(cè)量工作量。楊春偉在文獻(xiàn)[12]中也提出了僅間隔單個(gè)像元點(diǎn)亮的方式,結(jié)合Flood法的數(shù)據(jù)處理過(guò)程得到響應(yīng)曲線,但校正上沿用的是原有插值方法,且該方法隨著彌散增大,像元對(duì)準(zhǔn)程度的影響就不可忽略。

當(dāng)“離線”完成好對(duì)每個(gè)輻射像元的增益計(jì)算后,根據(jù)多組數(shù)據(jù)擬合出一條輸入與增益的關(guān)系曲線。數(shù)據(jù)表明,該曲線表示的函數(shù)關(guān)系,近似于原校正方法曲線中的輸入亮度(橫坐標(biāo))和響應(yīng)亮度(縱坐標(biāo))對(duì)輸入亮度的商之間的關(guān)系,降低了單位函數(shù)值的變化量,因而更加趨于線性,具有更小的插值誤差。隨著電阻陣列初始非均勻性的增加,效果越明顯。

5 仿真驗(yàn)證

當(dāng)給定一幀均勻輸入圖像,輻射亮度為65 W/(sr·m2)時(shí),投射圖像校正前如圖11,校正后如圖12和圖13所示。

圖11 校正前投射圖像

圖12 線性插值法校正后投射圖像

圖13 改進(jìn)線性插值法校正后投射圖像

對(duì)比校正前后的投射圖,兩種校正方法得出結(jié)果的非均勻性明顯改善。其中原線性插值法對(duì)高頻的非均勻性消除效果較好,低空間頻率還殘留陰影。因?yàn)檫M(jìn)行線性插值不可避免的誤差,對(duì)本身非均勻程度不高的輻射元來(lái)說(shuō),校正效果不明顯。而改進(jìn)的線性插值法校正效果整體上要優(yōu)于前者。對(duì)比圖12和圖13,可以發(fā)現(xiàn),前者校正后圖像亮度整體偏高,這也是由插值誤差引起的。表1是在相同輸入,不同初始非均勻程度時(shí)兩種方法校正水平對(duì)比。

表1 殘余非均勻性比較

當(dāng)初始非均勻性低于10%后,校正后的圖像能夠達(dá)到很高的均勻度,像元之間的響應(yīng)差異基本可以忽略。本文介紹的兩種方法均有很高的校正精度,其中改進(jìn)的插值法能實(shí)現(xiàn)更小的校正誤差,大大提升了校正水平。

6 結(jié) 論

文中介紹了正、逆稀疏網(wǎng)格法結(jié)合的測(cè)試手段,擴(kuò)大了測(cè)量范圍,提高了測(cè)試精度,加上簡(jiǎn)化后的插值校正方式令整個(gè)過(guò)程更合理可靠。而后提出改進(jìn)插值法作為校正手段,其具有更快的收斂速度和收斂程度。實(shí)驗(yàn)表明,本文對(duì)測(cè)試和校正所做出的調(diào)整優(yōu)化了工作量,得到精確的校正結(jié)果。今后的工作可以考慮繼續(xù)圍繞優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行,針對(duì)各種客觀因素進(jìn)行改進(jìn),從而發(fā)現(xiàn)更具適應(yīng)性的測(cè)試與校正方法。