楊 耿,王 超,劉紀洲

(1.32381部隊,北京 100071； 2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器讀出電路的工作模式可分為兩種,先積分后讀出(ITR)和積分同時讀出(IWR)模式[1-2],使用IWR讀出模式,可以大大提高幀頻,滿足搜索系統(tǒng)中快速探測的需要[3]。

為研究在搜索系統(tǒng)中,紅外探測器讀出電路在IWR工作模式下,紅外熱像儀對強輻射目標成像時相鄰幀的特點,本文利用回掃擺鏡逐幀擺掃目標場景來模擬搜索系統(tǒng)的成像特點,發(fā)現(xiàn)選擇IWR讀出模式時,紅外熱像儀對高溫目標成像會同時出現(xiàn)白影和黑影現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象,本文進行了大量的理論與實驗分析,通過對殘影進行建模,解釋了殘影的產(chǎn)生機制和特點,分析了殘影現(xiàn)象對搜索系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響,并提出了可以減弱殘影強度的途徑。

2 原理分析

2.1 殘影現(xiàn)象

本文利用回掃擺鏡逐幀擺掃強輻射目標來模擬搜索系統(tǒng)的成像特點,設定擺鏡擺動4個角度,紅外探測器的讀出模式選擇IWR,然后對高溫烙鐵目標成像。如圖1所示,可以觀察到在擺鏡回掃的4個位置都同時出現(xiàn)了白影和黑影現(xiàn)象,且白影的出現(xiàn)位置是下一幀烙鐵的位置,而黑影的位置恰好是上一幀烙鐵的位置。

圖1 回掃中殘影現(xiàn)象

切換ITR模式后,同樣進行上述實驗,在對應位置上則沒有出現(xiàn)黑白殘影。使用此系統(tǒng)更換不同的探測器后,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象一致。因此初步將問題定位在了探測器讀出電路的工作模式上,接下來本文進行將進一步的分析。

2.2 殘影現(xiàn)象分析

圖2和圖3是紅外探測器讀出電路的兩種工作模式,在ITR模式中第(n+1)幀積分在第n幀所有信號讀出完成后開始,而IWR模式中第(n+1)幀積分時,同時讀出第n幀的信號。結(jié)合上圖中出現(xiàn)的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)白影和黑影恰好是前后幀圖像的影響,而ITR模式?jīng)]有出現(xiàn),說明選擇IWR模式時信號的積分和讀出會相互影響,進而導致了殘影的產(chǎn)生,將問題進一步定位到了探測器讀出電路上。

圖2 先積分后讀出(ITR)模式

圖3 積分同時讀出(IWR)模式

接下來進一步闡述IWR讀出模式的工作原理。如圖4所示,選擇IWR讀出模式時,信號從積分到讀出主要分為4步。

圖4 IWR讀出模式流程

以某型640×512探測器為例,來分析IWR模式的讀出電路。圖5是簡化的單個像元讀出電路示意圖,其中Ci為積分電容,Cr是保持電容,Q。積分電容復位后電壓值為Vr,若積分了Vint的信號電壓,由于積分電容和保持電容采取抽電荷方式,因此積分電容此時電壓值為Vr-Vint。開關閉合后,開始均分電荷過程,如圖6所示。達到穩(wěn)態(tài)后,達到下面狀態(tài):

圖5 簡化的讀出電路示意圖

圖6 均分電荷過程

(1)

其中,ΔQ=Vn×Cr,Vn是保持電容中信號電壓值。

整理后得到:

(2)

均分電荷結(jié)束后,積分電容開始復位,復位到Vr,開始積分下一幀信號,同時保持電容按像素分布順序開始讀出信號。此時,下一幀信號的積分與這幀信號的讀出會相互影響,可能會導致殘影的產(chǎn)生。

接下來具體分析下積分和讀出過程。分析定義圖1(b)為第n幀圖像,圖1(a)為第(n-1)幀圖像,圖1(c)為第(n+1)幀圖像。采用IWR模式時,第n幀正在讀出時,第(n+1)幀目標同時在進行積分,懷疑第n幀圖像上的白影是第(n+1)幀積分強目標造成。同理第n幀在積分時,第n-1幀圖像在讀出,懷疑第n幀圖像上的黑影是第(n-1)幀圖像讀出強目標造成。

首先進行白影現(xiàn)象的分析。如圖7所示,設寄生電容的大小為Cjs,均分電荷結(jié)束后,保持電容的電壓值為Vr-Vn,其中Vr是復位電壓,Vn第n幀要讀出的信號電壓。積分電容復位結(jié)束后,積分電容電壓值復位到Vr。由于積分電容和保持電容間有Vn的壓差,為保持平衡,寄生電容的電壓值將達到Vn。

開始積分第(n+1)幀信號時,由于是抽電荷方式,所以積分電容的電壓值會減小,為保持平衡,電荷會從寄生電容轉(zhuǎn)移到積分電容,直到寄生電容的電壓值正好為0 V。

圖7 第(n+1)幀開始積分的初態(tài)

圖8 第(n+1)幀積分結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)

如圖8所示,若第(n+1)幀正在積分的信號比較強時,積分電容的電壓會繼續(xù)減小,而寄生電容的電壓值已經(jīng)為0,就會從保持電容抽電荷到寄生電容。保持電容電壓值會變小,即影響了第n幀信號的電壓值。假設積分結(jié)束時從保持電容抽掉Q′個電荷,達到下面狀態(tài):

(3)

從公式(3)中可以看出,保持電容的電壓值從(Vr-Vn)變?yōu)?Vr-(Vn+Q′/Cr)),抽走的電荷變多了,讀出的信號電壓值變大,在圖像上即表現(xiàn)為白影,(Vn+Q′/Cr)是產(chǎn)生白影的電壓值。

整理后得到寄生電容和保持電容有如下的關系:

(4)

2.3 黑影分析

積分電容復位過程同上。若第(n-1)幀準備讀出的信號電壓為Vn-1,初始狀態(tài)時寄生電容的電壓就為Vn-1。若第n幀積分的信號電壓為Vint2,則第n幀積分結(jié)束后,會達到下面的狀態(tài),其中,Q是從保持電容中抽出來的電荷,儲存在寄生電容中:

(5)

若第(n-1)幀讀出的信號遠遠強于第n幀正在積分的信號,初態(tài)時寄生電容的電壓值Vn-1將遠遠大于Vn,所以要積到同樣的信號電平水平,則相當于從積分電容處抽走的電荷減少,即第n幀正在積分的信號電壓值變小了,在圖像上就會出現(xiàn)黑影現(xiàn)象。假設從積分電容處抽走的電荷減少了Q,造成電壓值減少Δ,會有如下關系:

(6)

整理后得到寄生電容和保持電容的關系:

(7)

本節(jié)通過對黑白殘影進行建模,求得寄生電容與保持電容的關系,得到公式(4)和公式(7)。進行實驗,采集圖像得到黑白殘影圖像,計算圖像中白影、黑影、信號、背景的灰度值,對公式(4)和公式(7)進行解算,進行多組重復性實驗后,計算得到寄生電容大致為保持電容的200倍左右,符合實際情況。這說明了對黑白殘影的分析是正確的,即黑白影出現(xiàn)的原因是:探測器讀出電路中的寄生電容影響了IWR讀出模式中信號的積分和讀出過程,使信號的電平發(fā)生改變,導致圖像上產(chǎn)生了殘影。

3 殘影強度影響因素分析

通過上面的分析,解釋了黑白殘影的產(chǎn)生機制。要考慮黑白殘影可能對搜索系統(tǒng)中產(chǎn)生的影響,要分析殘影強度的影響因素。通過觀察殘影現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)當信號溫度越高,與背景溫差越大時,觀察殘影現(xiàn)象更明顯,下面進一步分析影響殘影的影響因素。

3.1 殘影強度隨目標溫度變化關系

通過對電烙鐵進行成像,分析殘影強度與信號強度的變化關系。實驗中改變電烙鐵的溫度從50～350 ℃,每次間隔變化20 ℃,背景是20 ℃的恒溫黑體,固定積分時間10 ms,采集多幀圖像,分析白影和黑影的強度變化,得到殘影強度隨信號溫度變化關系如圖9所示。計算中,將殘影灰度值減掉背景灰度值當做殘影強度。

圖9 殘影強度隨目標溫度變化關系

從9圖中可以看出,隨信號溫度的升高,白影和黑影的強度會升高,且白影的變化更明顯。圖10和圖11所示,實際觀察中當烙鐵溫度低于70 ℃時,黑影顯現(xiàn)不明顯,但白影清楚可見,烙鐵溫度300 ℃,黑白殘影都很明顯。

圖10 70 ℃烙鐵

圖11 300 ℃烙鐵

3.2 殘影強度隨目標與背景溫度差變化關系

進行以下實驗驗證殘影與信號背景強度差關系:保證信號的強度不變,即固定電烙鐵溫度140 ℃,積分時間10 ms,改變背景黑體的溫度從10 ～100 ℃時,采集多幀圖像,分析殘影強度與背景差的變化關系,如圖12所示。

圖12 殘影強度與信號背景強度差的變化關系

可以看出,隨著背景與目標的強度差的增大,白影和黑影的強度也呈增大趨勢。圖13和圖14分別是溫差70 ℃和110 ℃采集的圖片,實驗中觀察到當溫度差只要大于60 ℃時(灰度差20000左右),白影現(xiàn)象一直存在；而溫度差大于110 ℃時(灰度差30000左右),黑影才開始出現(xiàn)。且殘影與背景灰度差20個碼值左右,就可以看到殘影現(xiàn)象。

圖13 溫差70 ℃

圖14 溫差110 ℃

3.3 殘影強度與積分時間變化關系

探測器信號的響應值與目標的強度和積分時間都有關系,3.1和3.2節(jié)已經(jīng)確定了目標強度對殘影現(xiàn)象的影響,需要進一步分析積分時間對殘影強度的影響。

進行以下實驗,保證背景溫度20 ℃不變,改變信號的溫度從50 ℃～350 ℃,觀察白影強度的變化。過程中改變積分時間分別為15 ms,11 ms和8 ms,進行三組重復性實驗,觀察三組實驗中殘影強度的變化。

可以觀察到,三組積分時間設定下,殘影現(xiàn)象與信號強度的變化規(guī)律基本一致。當設定積分時間變長時,殘影強度有一定程度的變化,但影響相對較小。

通過以上三組實驗,發(fā)現(xiàn)得到殘影強度主要與信號強度與背景溫差有關,溫差越大,殘影出現(xiàn)的現(xiàn)象更加明顯。還發(fā)現(xiàn)黑影比白影對溫差更加敏感,同一溫差下,白影比黑影更加明顯。

圖15 殘影強度與積分時間變化關系

4 殘影現(xiàn)象在搜索系統(tǒng)中的影響與解決措施

紅外搜索系統(tǒng)是一種重要的探測預警手段,主要是通過判斷目標的信噪比來識別目標,當目標距離較遠時,目標在紅外圖像中表現(xiàn)為點目標,受到復雜背景雜波和噪聲的影響很大,會產(chǎn)生虛警[4-5]。

針對紅外探測器IWR模式對強輻射目標成像時產(chǎn)生殘影的問題,在3.2節(jié)分析得到:當目標與背景溫度差大于60 ℃時(灰度差20000左右),白影出現(xiàn),且與背景的灰度值相差20碼值左右,就清晰可見。目標與背景溫度差越大,白影越明顯。所以考慮白影的出現(xiàn)很可能會影響搜索系統(tǒng)中目標的識別。

假設在搜索系統(tǒng)中選擇紅外探測器IWR讀出模式,如圖所示,天空中有一架飛機飛過,如果飛機的尾焰溫度足夠高,則與背景天空產(chǎn)生很強的溫度差,就很有可能產(chǎn)生在當前讀出的畫面中殘留下一幀積分的畫面。搜索系統(tǒng)識別目標過程中,則很有可能將殘影視為目標,產(chǎn)生虛警。

針對上面的問題,必須要考慮消除白影的影響,否則很可能會引起虛警問題。從文中第2節(jié)分析出,白影的產(chǎn)生與探測器的寄生電容有關,要考慮消除白影現(xiàn)象,從根本上要解決探測器讀出電路中的存在的寄生電容。分析讀出電路的原理后發(fā)現(xiàn),寄生電容是無法完全消除掉的,只能通過優(yōu)化讀出電路的設計去減小寄生電容值。當產(chǎn)生的白影弱化到背景電平時,在圖像上觀察不到白影的存在。

另外一種解決途徑,考慮到白影的出現(xiàn)是有規(guī)律的,只有場景中出現(xiàn)溫度遠高于背景的強目標時,才有可能會產(chǎn)生白影,且白影出現(xiàn)的位置與圖像的前后幀有關系。所以針對出現(xiàn)白影的場景找到前后幀白影出現(xiàn)的位置規(guī)律,通過圖像處理手段可以減掉白影的影響。由于白影的產(chǎn)生條件需要背景與目標溫差足夠高,所以使用IWR模式時,實際使用中觀察戶外場景目標沒發(fā)現(xiàn)白影現(xiàn)象,具體的解決白影的措施還需根據(jù)實際應用場景進行針對性研究。

5 結(jié) 論

針對紅外探測器IWR讀出模式在回掃擺鏡逐幀擺掃目標場景過程中,對高溫目標成像時出現(xiàn)的殘影現(xiàn)象,本文進行了大量理論與實驗分析,得出如下結(jié)論:探測器讀出電路中寄生電容的存在會影響信號的積分和讀出過程,使信號的電平發(fā)生改變,導致在圖像上出現(xiàn)了殘影。白影的出現(xiàn)原因是下一幀信號的積分影響當前幀信號的讀出,而黑影的出現(xiàn)原因是上一幀信號讀出時影響了當前幀信號的積分。通過對產(chǎn)生的殘影進行建模,得到了寄生電容的公式,并通過實驗驗證了推導公式的合理性。

實驗還分析了殘影強度與目標強度,目標背景強度差和積分時間的關系,發(fā)現(xiàn)殘影強度主要與目標和背景溫度差有關,溫度差越大,殘影越明顯。

本文分析殘影的產(chǎn)生機制對與紅外探測器IWR模式在搜索系統(tǒng)中的應用具有一定的指導意義,發(fā)現(xiàn)白影可能會導致搜索系統(tǒng)出現(xiàn)虛警問題,并提出了白影問題解決途徑。但由于殘影與目標和背景溫度差有關,應用場景不同時殘影的強度也會有變化,具體的解決措施還需根據(jù)實際應用場景進行針對性的研究。