陳相洪,黃文剛,黃曉宗,陳彥冠,史凡萍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所,重慶 400060;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

近年來(lái),第三代紅外成像探測(cè)器正向大規(guī)模、多譜段、數(shù)字化方向發(fā)展,先進(jìn)紅外焦平面電路片內(nèi)集成模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字信號(hào)輸出[1]。與單元紅外探測(cè)器不同,智能型紅外焦平面陣列不僅能將熱輻射轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào),而且還帶有讀出電路(ROIC),配合紅外焦平面探測(cè)器實(shí)現(xiàn)像元級(jí)模擬數(shù)字(AD)轉(zhuǎn)換、智能化圖像處理和數(shù)字輸出等功能,將獲取的面陣信號(hào)經(jīng)像元級(jí)方式處理后輸出[2-4]。因此對(duì)智能型紅外焦平面陣列的參數(shù)評(píng)價(jià)與對(duì)單元紅外探測(cè)器的參數(shù)評(píng)價(jià)有著很大不同,除了要對(duì)每個(gè)探測(cè)器像元的性能進(jìn)行評(píng)估外,還應(yīng)對(duì)紅外焦平面陣列的智能算法進(jìn)行參數(shù)評(píng)價(jià)[5]。

國(guó)外有公司專門研究紅外焦平面陣列性能測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)大部分紅外焦平面的制造商也擁有自己的測(cè)試系統(tǒng),來(lái)評(píng)估和測(cè)試紅外焦平面陣列的性能[6-7]。國(guó)外以色列SCD公司、法國(guó)Sofradir公司、美國(guó)的MIT林肯實(shí)驗(yàn)室都推出了集成ADC讀出電路的紅外探測(cè)器組件和測(cè)試平臺(tái)[8-9],但都未提出能同時(shí)對(duì)像元級(jí)ADC的背景減除、盲元補(bǔ)償、非均勻性校正、開(kāi)窗、像素合并、空間濾波、圖像均衡變換、時(shí)間延遲積分、動(dòng)態(tài)范圍等多種數(shù)字功能的智能化焦平面的進(jìn)行批測(cè)的測(cè)控平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所自主開(kāi)發(fā)了一種光譜范圍為1～15 μm的相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),專門用于測(cè)量紅外焦平面的光譜響應(yīng)范圍[10]。上海技術(shù)物理研究所對(duì)新研制的百萬(wàn)級(jí)像素大規(guī)模陣列量子阱器件進(jìn)行了性能參數(shù)測(cè)試與評(píng)估[11]。昆明物理研究所自主研制出探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),并對(duì)波長(zhǎng)為1～3 μm的紅外探測(cè)器進(jìn)行了相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試[12]。但由于西方發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)上的封鎖,我國(guó)對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)、智能型紅外焦平面陣列技術(shù)的研究起步比較晚,因此,在這方面我國(guó)的發(fā)展明顯落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家[13]。國(guó)內(nèi)都是進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)或無(wú)智能算法的單片電路進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),并未開(kāi)發(fā)對(duì)像元級(jí)智能型紅外焦平面電路進(jìn)行多種數(shù)字功能參數(shù)同時(shí)進(jìn)行全面評(píng)估的測(cè)控系統(tǒng),且未能提出單片640×512陣列智能型紅外焦平面電路同時(shí)滿足多種數(shù)字功能的智能算法。

結(jié)合目前智能型國(guó)內(nèi)外紅外焦平面性能與評(píng)估技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,我國(guó)智能型紅外焦平面性能測(cè)試比較落后且還比較單一[14]。因此本文設(shè)計(jì)一套智能型紅外焦平面探測(cè)器性能測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng),并提出了像元級(jí)ADC的背景減除、盲元補(bǔ)償、非均勻性校正、開(kāi)窗、像素合并、空間濾波、圖像均衡變換、時(shí)間延遲積分等算法實(shí)現(xiàn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能型紅外焦平面電路液氮成像測(cè)試系統(tǒng)是驗(yàn)證紅外焦平面電路性能的核心平臺(tái)[15]。本文設(shè)計(jì)出一款智能型紅外焦平面電路液氮成像測(cè)試系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 智能型紅外焦平面電路液氮成像系統(tǒng)

系統(tǒng)包括紅外攝像頭(Infrared Camera)、探測(cè)器(Detector)、杜瓦罐(Dewar)、待測(cè)電路板(DUT)、FPGA主控板(FPGA Main control)、cameralink圖像采集轉(zhuǎn)換板(Cameralink Image Acquisition Conversion Board)、PC模塊(PC Module)。

1)紅外攝像頭:用來(lái)將不同波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行投射傳遞給探測(cè)器。

2)探測(cè)器:用來(lái)鍵合紅外焦平面芯片,提供一個(gè)液氮環(huán)境,并感應(yīng)紅外攝像頭投射進(jìn)來(lái)的不同波長(zhǎng)的紅外光,并與FPGA主控板相連。

3)杜瓦罐:真空的容器裝置,為DUT板提供液氮浸泡環(huán)境。

4)DUT板:板子放置電路測(cè)試夾具,承載智能型紅外焦平面電路,并浸泡在液氮中,與FPGA主控板相連。

5)FPGA主控制板:與DUT板和探測(cè)器相連。其中FPGA主控制板包括:電源控制模塊、時(shí)鐘控制模板、UART轉(zhuǎn)SPI模塊、數(shù)字采集模塊。電源控制模塊為DUT板和探測(cè)器提供電源,并程控改變電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的調(diào)試;時(shí)鐘控制模塊為DUT板和探測(cè)器提供LVDS格式的時(shí)鐘信號(hào),并能夠程控改變時(shí)鐘頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的調(diào)試。UART轉(zhuǎn)SPI模塊將SPI配置端傳輸過(guò)來(lái)的UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SPI數(shù)據(jù),對(duì)DUT板和探測(cè)器進(jìn)行寄存器批量配置,來(lái)開(kāi)啟電路不同功能;數(shù)字采集模塊為DUT板和探測(cè)器提供LVDS數(shù)字信號(hào),并通過(guò)數(shù)字IO口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

6)Cameralink圖像采集轉(zhuǎn)換板:與圖像采集卡和FPGA主控板相連。通過(guò)cameralink通信協(xié)議采用了DS90CR287MTD芯片將FPGA采集回來(lái)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù),將轉(zhuǎn)換完成后串行數(shù)據(jù)傳輸給PC模塊的圖像采集卡進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)采用DS90LV049TMT芯片實(shí)現(xiàn)圖像采集卡數(shù)據(jù)接收成功后給FPGA進(jìn)行反饋。cameralink圖像采集轉(zhuǎn)換板能夠?qū)崿F(xiàn)接收LVDS數(shù)據(jù)速率達(dá)2.38 Gbps,處理數(shù)據(jù)位寬達(dá)28位。cameralink圖像采集轉(zhuǎn)換板將FPGA主控板傳輸過(guò)來(lái)的并行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行cameralink總線協(xié)議轉(zhuǎn)換,將并行數(shù)據(jù)串行輸出給圖像采集卡。圖像采集卡圖像獲取速度達(dá)到255 MB/s;圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到主板內(nèi)存達(dá)到了1024 MB/s。

7)PC模塊:集成在PC機(jī)上,包括圖像采集卡和SPI配置端。圖像采集卡安裝在PC機(jī)上,圖像采集卡將通過(guò)視頻線纜傳輸過(guò)來(lái)的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析成像,并對(duì)電路全參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析和數(shù)據(jù)保存;SPI配置端安裝在PC機(jī)上,SPI配置端將數(shù)據(jù)通過(guò)通用異步收發(fā)(UART)通信協(xié)議傳輸給FPGA主控板中的UART轉(zhuǎn)SPI模塊,對(duì)控制電路實(shí)現(xiàn)不同功能。智能型紅外焦平面電路液氮成像系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 成像系統(tǒng)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)工作流程如下:使用紅外攝像頭探測(cè)不同波長(zhǎng)的紅外信號(hào),通過(guò)探測(cè)器將紅外光模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行芯片級(jí)智能算法處理,然后將算法處理后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)字IO口將圖像數(shù)據(jù)回傳給FPGA主控板中的數(shù)字采集模塊,FPGA主控板對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行幀行分發(fā)圖像預(yù)處理,將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)再次傳遞給cameralink圖像采集轉(zhuǎn)換板,圖像采集轉(zhuǎn)換板進(jìn)行cameralink總線協(xié)議轉(zhuǎn)換,將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù),接著將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)傳遞給圖像采集卡,圖像采集卡通過(guò)上位機(jī)成像處理軟件進(jìn)行圖像采集,然后通過(guò)圖像處理界面進(jìn)行成像。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)硬件測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),首先對(duì)電路寄存器生成不同測(cè)試功能的SPI配置文件和FPGA配置文件,如圖3所示。SPI配置端將生成的SPI配置文件通過(guò)UART通信協(xié)議傳輸給FPGA主控板中的UART轉(zhuǎn)SPI模塊,UART轉(zhuǎn)SPI模塊將UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SPI數(shù)據(jù); FPGA配置端將生成的FPGA配置文件傳輸給FPGA主控板中的數(shù)字采集模塊,數(shù)字采集模塊生成低電壓差分信號(hào)(LVDS)數(shù)據(jù)格式的信號(hào)。最后將轉(zhuǎn)換好的SPI數(shù)據(jù)和LVDS信號(hào)對(duì)DUT板中的電路或探測(cè)器中的芯片分別進(jìn)行SPI配置和FPGA配置,從而啟動(dòng)紅外焦平面電路的智能算法。

SPI配置端是使用PC機(jī)上的Visual Basic(VB)軟件平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面,如圖4所示。對(duì)SPI配置文件進(jìn)行批量導(dǎo)入給FPGA主控板,FPGA主控板再對(duì)電路內(nèi)部的寄存器進(jìn)行批量配置,同時(shí)能夠?qū)㈦娐穬?nèi)部的寄存器值通過(guò)FPGA進(jìn)行批量回讀,并在PC端人機(jī)交互界面顯示。

圖4 SPI配置界面

上位機(jī)圖像處理軟件一般采用國(guó)外DALSA公司Sapera_LT軟件[16],現(xiàn)這個(gè)軟件由我們自主研發(fā),軟件程序可移植,可編程,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代,功能全覆蓋,保證紅外焦平面電路每個(gè)像元和圖像測(cè)試的準(zhǔn)確性,國(guó)產(chǎn)IRCamExpert-CETC圖像處理軟件如圖5所示。

圖5 IRCamExpert-CETC圖像處理軟件

綜上所述,液氮測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境,測(cè)試效率和測(cè)試精度要求越來(lái)越高,搭建一個(gè)有效的測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)智能型紅外焦平面陣列器件進(jìn)行性能參數(shù)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的前提,同時(shí)需要提升智能型紅外焦平面電路的測(cè)試精度和測(cè)試范圍,提升批量測(cè)試的效率。本文提出的智能型紅外焦平面電路液氮測(cè)試系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì),如表1所示。

表1 測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.3 測(cè)試流程

成像系統(tǒng)的測(cè)試流程,如圖6所示。智能型紅外焦平面電路液氮成像系統(tǒng)是基于行列級(jí)ADC讀出電路的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[17-18],根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 17444-2013《紅外焦平面陣列參數(shù)測(cè)試技術(shù)》進(jìn)行研究[19]。參數(shù)包括(不僅限于)以下功能參數(shù):背景減除、盲元補(bǔ)償、非均勻性校正、開(kāi)窗、像素合并、空間濾波、圖像均衡變換、時(shí)間延遲積分(Time Delay Integration,TDI)、動(dòng)態(tài)范圍等。

圖6 測(cè)試流程圖

3 算法實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

基于 640×512探測(cè)器陣列進(jìn)行了智能型紅外焦平面讀出芯片的測(cè)試,采用SMIC 40 nm CMOS工藝進(jìn)行了流片。單個(gè)像元 ADC 面積≤30 μm×30 μm,讀出芯片面積22 mm×19 mm。下面對(duì)智能型紅外焦平面電路功能參數(shù)和動(dòng)態(tài)范圍的算法和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明[20-21]。

3.1 像素合并

像素合并是以犧牲圖像分辨率為代價(jià)提高圖像的靈敏度,通常將2×2區(qū)域的像素合并為1個(gè)超大像素,相當(dāng)于增加了單像素的采光能力,增強(qiáng)了弱光條件下的拍攝效果。按式(1)進(jìn)行像素合并。像素合并示意圖如圖7所示。

圖7 像素合并示意圖

Imerge(i,j)=Iin(2i-1,2j-1)+Iin(2i,2j-1)+Iin(2i-1,2j)+Iin(2i,2j)

(1)

式中,Iin為相鄰兩行和兩列像素。像素合并在像元級(jí)實(shí)現(xiàn),通過(guò)對(duì)像素陣列的邏輯控制實(shí)現(xiàn)像素合并功能。當(dāng)像素合并使能,先緩存2行圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行行相加,再傳輸至列單元進(jìn)行2列相加,實(shí)現(xiàn)2×2像素合并。

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)像素合并功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.5 ms。圖8(a)為18 bit原始像素合并前的圖像,圖8(b)為20 bit像素合并后的圖像,均以20 bit灰度級(jí)進(jìn)行顯示。像素合并后圖像更加清晰。

圖8 像素合并

3.2 非均勻校正

雖然線性校正的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單,但非均勻性校正過(guò)程中計(jì)算量小,適合于實(shí)時(shí)校正,因此選用最廣泛的兩步法來(lái)校正均勻性。紅外焦平面陣列在均勻輻射背景下任一像元的響應(yīng)輸出可以表示為:

Xij(φ)=Rijφ+Ωij

(2)

式(2)中,Xij(φ)為(i,j)像元的響應(yīng)輸出值;φ為輻射通量;Ωij為偏移量。

下面根據(jù)兩點(diǎn)校正原理推導(dǎo)兩點(diǎn)校正公式。式(2)給出了任一像元響應(yīng)輸出的數(shù)學(xué)模型,校正目的為:任一像元在任一輻射通量φ下的輸出信號(hào)Xij(φ)校正為整個(gè)焦平面陣列在輻射通量φ下的標(biāo)準(zhǔn)像元的響應(yīng)輸出信號(hào)Xn(φ),用靈敏度最高像元為標(biāo)準(zhǔn)像元。令:

Yij(φ)=Xn(φ)

(3)

為此在光路中插入一均勻輻射的黑體,根據(jù)上面式(2)可得到各像元在低溫TL和高溫TH下響應(yīng)輸出:

Xij(φ1)=Rijφ1+Ωij

(4)

Xij(φ2)=Rijφ2+Ωij

(5)

式中,φ1、φ2分別為各個(gè)像元在低溫TL和高溫TH下的輻射通量。進(jìn)行歸一化處理得:

Xn(φ)=Rnφ+Ωn

(6)

令:

Xn(φ1)=mean(Xij(φ1))

(7)

Xn(φ2)=mean(Xij(φ2))

(8)

可解得:

Xn(φ)=KijXij(φ)+Bij

(9)

其中:

(10)

(11)

即為非均勻校正后的結(jié)果,其中Kij、Bij分別為兩點(diǎn)校正中的校正增益和校正偏移量。非均勻校正算法校正系數(shù)在片外求取,并提供增益校正系數(shù)表和偏移校正系數(shù)表,校正算法在像元級(jí)通過(guò)SPI配置實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn),非均勻校正示意圖如圖9所示。

圖9 非均勻校正示意圖

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)非均勻校正功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=5 ms。非均勻校正測(cè)試實(shí)例如圖10所示,圖10(a)為非均勻校正前的圖像,圖10(b)為非均勻校正后的圖像。啟動(dòng)非均勻校正功能后,非均勻校正后圖像更準(zhǔn)確。

圖10 非均勻校正

3.3 背景減除

背景減除主要是用來(lái)抑制背景噪聲,包括暗電流噪聲、1/f噪聲等。探測(cè)器成像時(shí)不僅包含目標(biāo)所產(chǎn)生的光電流,還包括自身暗電流等一系列噪聲,探測(cè)器輸出的即為實(shí)際成像,如果能獲取噪聲成像,便可用實(shí)際成像減去噪聲成像得到目標(biāo)圖像,通常在不透光環(huán)境下對(duì)黑體成像(曝光時(shí)間不變)得到噪聲圖像。

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)背景減除功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.01 ms,偏壓基準(zhǔn)Vd=0.8 V,背景減除測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 背景減除

在黑體圖像上加入隨機(jī)噪聲模擬背景,背景減除模塊通過(guò)實(shí)際圖像減去背景圖像獲取清晰的目標(biāo)圖像。圖11(a)為18 bit實(shí)際輸入的圖像,圖11(b)為背景減除后的目標(biāo)圖像,可以看出背景減除后目標(biāo)圖像更清晰。

3.4 盲元補(bǔ)償

盲元補(bǔ)償用其4-鄰域像元代替,定義替換順序?yàn)?上、右、下、左),按替換順序搜尋盲元4-鄰域像元,若為正常像元,則用該正常像元替換盲元,若該像元為盲元或已經(jīng)用于替換其他盲元,則繼續(xù)搜尋直至4-領(lǐng)域結(jié)束。以既定策略用盲元4-鄰域中的正常像元替換盲元的示意圖如圖12所示。盲元補(bǔ)償算法通過(guò)SPI配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖12 盲元補(bǔ)償示意圖

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)盲元補(bǔ)償功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=5 ms,盲元補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果如圖13所示。圖13(a)為盲元補(bǔ)償前圖像,有很多死像元和過(guò)熱像元,圖13(b)為盲元補(bǔ)償后的圖像,可以看出死像元和過(guò)熱像元已被校正。

圖13 盲元補(bǔ)償

3.5 開(kāi)窗功能

圖像開(kāi)窗是為了更有效地觀察敏感區(qū)域ROI,為此將ROI區(qū)域從整幅圖像中取出來(lái)從而進(jìn)行后續(xù)處理及顯示等操作。在原始圖像中隨機(jī)產(chǎn)生窗口;根據(jù)窗口位置及大小對(duì)原始圖像進(jìn)行開(kāi)窗,并返回開(kāi)窗圖像。圖像開(kāi)窗在像元級(jí)通過(guò)SPI配置來(lái)實(shí)現(xiàn),主要通過(guò)對(duì)像素陣列的讀邏輯控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗功能。當(dāng)開(kāi)窗有效并給定圖像窗口后,其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)行列的有效信號(hào),指定相應(yīng)行列的數(shù)據(jù)輸出,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗功能。圖像開(kāi)窗示意圖如圖14所示。

圖14 開(kāi)窗示意圖

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)開(kāi)窗功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.001 ms,開(kāi)窗起點(diǎn)128×205,開(kāi)窗大小384×205,測(cè)試結(jié)果如圖15所示。圖15(a)為開(kāi)窗前圖像,紅線區(qū)域?yàn)榇翱?圖15(b)為開(kāi)窗后圖像,按既定窗口得到開(kāi)窗圖像。開(kāi)窗后圖像顯示紅線區(qū)域。

圖15 開(kāi)窗

3.6 時(shí)間延遲積分

數(shù)字時(shí)間延遲積分(Time Delay Integration,TDI)即在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)時(shí)間延遲積分,對(duì)同一目標(biāo)多次曝光,通過(guò)延時(shí)積分來(lái)提高像元接受的目標(biāo)能量,可提高系統(tǒng)靈敏度、改善圖像非均勻性。

數(shù)字TDI示意圖如圖16所示,探測(cè)器向左掃描時(shí),目標(biāo)依次在各級(jí)(n代表TDI級(jí)數(shù))TDI像元成像,T1時(shí)刻目標(biāo)成像在n列,T2時(shí)刻目標(biāo)成像在n-1列直到Tn時(shí)刻,目標(biāo)在各級(jí)TDI都有成像,將其累加并按照式(12)輸出得到TDI圖像的第一列,繼續(xù)掃描每次可輸出一列,從而得到最終的TDI圖像。

圖16 TDI示意圖

(12)

TDI在像元級(jí)實(shí)現(xiàn),主要通過(guò)正交傳輸與置位計(jì)數(shù)器初值實(shí)現(xiàn)。采集圖像時(shí),像素陣列向掃描相反方向整體正交傳輸,將移位后的數(shù)據(jù)作為計(jì)數(shù)器初值,再次采集圖像、正交傳輸、置位初值,如此循環(huán),直至累加stage(stage為TDI級(jí)數(shù))次,開(kāi)始輸出部分圖像,以后每采集一幀,就輸出部分圖像。TDI在像元級(jí)通過(guò)SPI配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)時(shí)間延遲積分功能,設(shè)置工作在TDI模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.01 ms,測(cè)試結(jié)果如圖17所示。圖17(a)為時(shí)間延遲積分前圖像,圖17(b)為時(shí)間延遲積分后圖像,從上往下進(jìn)行時(shí)間延遲積分(TDI),從而使得滿屏產(chǎn)生第一行圖像像素的豎狀條紋。

圖17 時(shí)間延遲積分

3.7 空間濾波

空間濾波是在圖像內(nèi)對(duì)單像素及其鄰域做處理,通?？煞譃榫€性空間濾波與非線性空間濾波兩類。常見(jiàn)的線性空間濾波右均值濾波、圖像銳化等,常見(jiàn)的非線性空間濾波有中值濾波等。

空間濾波是在圖像空間借助模板進(jìn)行鄰域操作完成的。S0為當(dāng)前進(jìn)行濾波的像素,S1～S8是其3×3鄰域像素,K0～K8為對(duì)應(yīng)鄰域大小的模板,空間濾波即用模板K依次對(duì)圖像像素及其鄰域進(jìn)行卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波?？臻g濾波示意圖如圖18所示,濾波過(guò)程按式(13)進(jìn)行。

圖18 空間濾波示意圖

R=K0×S0+K1×S1+…+K8×S8

(13)

線性空間濾波可以通過(guò)調(diào)節(jié)積分時(shí)間、計(jì)數(shù)器方向及正交傳輸在像元級(jí)實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)如圖19所示,需要對(duì)像素S0進(jìn)行濾波:首先對(duì)S0進(jìn)行|K0|倍時(shí)間積分,根據(jù)K0正負(fù)調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器正負(fù)開(kāi)始曝光計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)結(jié)束后將計(jì)數(shù)結(jié)果右移至S1位置并將此計(jì)數(shù)結(jié)果賦為S1計(jì)數(shù)器初值;根據(jù)K1正負(fù)及大小調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器正負(fù)及曝光時(shí)長(zhǎng)開(kāi)始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)結(jié)束后將計(jì)數(shù)結(jié)果下移至S2位置并將此計(jì)數(shù)結(jié)果賦為S2計(jì)數(shù)器初值,如此按圖19(a)所示經(jīng)歷(中心像素→右→下→左→左→上→上→右→右)9次曝光,8次正交傳輸后最終停留在S2位置上,即實(shí)現(xiàn)式(13),輸出即為濾波結(jié)果,圖像實(shí)現(xiàn)類似,如圖19(b)所示,整幅圖像正交傳輸即可實(shí)現(xiàn)。

圖19 像元級(jí)空間濾波示意圖

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)空間濾波功能,設(shè)置工作在自測(cè)試(SFT)模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.5 ms,偏壓基準(zhǔn)Vd=0.8 V,測(cè)試結(jié)果如圖20所示。像元級(jí)模擬線性空間濾波實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。圖20(a)為18 bit空間濾波前圖像,圖20(b)為經(jīng)空間濾波后的圖像。空間濾波后顯示高亮的圖像輪廓。

圖20 空間濾波

3.8 直方圖均衡

直方圖均衡是為了提高灰度圖像的對(duì)比度,即提高圖像整體的反差程度,使得圖像的某些細(xì)節(jié)更便于觀察,從而改善圖像的視覺(jué)效果。

假設(shè)原灰度圖像的概率密度為pr(r),直方圖均衡后的圖像概率密度為pr(r),其中s=T(r),根據(jù)概率論可得到:

(14)

則可用原圖像的累積概率密度來(lái)表征圖像灰度級(jí)的轉(zhuǎn)換:

(15)

以此變得到轉(zhuǎn)換后的灰度級(jí)s=T(r),便可進(jìn)行直方圖均衡化處理。

通過(guò)上位機(jī)SPI配置來(lái)啟動(dòng)空間濾波功能,設(shè)置工作在NOM模式,頻率f=100 MHz,幀頻fps=300 Hz,積分時(shí)間Ts=0.001 ms,測(cè)試結(jié)果如圖21所示,橫坐標(biāo)為圖像灰度級(jí)范圍[0,2.5×105],縱坐標(biāo)為圖像灰度值[0,4000]。圖21(a)為原始圖像直方圖,灰度級(jí)集中在[75000,150000]間,使得在視覺(jué)效果上區(qū)別不明顯。圖21(b)均衡化后直方圖,圖像灰度均勻分布在整個(gè)灰度級(jí),提高了圖像對(duì)比度,更便于觀察。

圖21 直方圖均衡

3.9 動(dòng)態(tài)范圍

為了測(cè)試讀出電路陣列像元ADC的動(dòng)態(tài)范圍,需要連續(xù)采集100幀圖像數(shù)據(jù),計(jì)算陣列每個(gè)像元的時(shí)域噪聲(標(biāo)準(zhǔn)差):

(16)

其中,i,j是像元坐標(biāo);f是幀編號(hào);D(i,j)指像元(i,j)的100幀平均值;D(i,j,f)指第f幀圖像(i,j)坐標(biāo)像元的數(shù)。

計(jì)算整個(gè)面陣的平均時(shí)域噪聲:

(17)

計(jì)算18 bit ADC滿量程動(dòng)態(tài)范圍:

(18)

用成像測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)采集的100幀圖像數(shù)據(jù)計(jì)算整個(gè)面陣的平均時(shí)域噪聲為0.0213,按式(18)計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍:

(19)

綜上所述,總結(jié)本文提出的智能型紅外焦平面電路測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo),如表2所示。結(jié)果表明系統(tǒng)能夠很好滿足智能型紅外焦平面電路的測(cè)試需求,完成對(duì)智能型紅外焦平面電路圖像功能測(cè)試,滿足典型值。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的智能型紅外焦平面電路液氮成像系統(tǒng)是一套對(duì)紅外探測(cè)器和紅外焦平面電路性能的驗(yàn)證與評(píng)估系統(tǒng),具有紅外視頻圖像在線監(jiān)測(cè)和電路全參數(shù)批量測(cè)試的能力。提出了基于單片像元級(jí)ADC的多種圖像算法,并對(duì)紅外圖像預(yù)處理算法的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié),通過(guò)對(duì)一款640×512陣列的智能型紅外焦平面電路進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。相信對(duì)智能型紅外焦平面領(lǐng)域中,這些極具實(shí)用性的研究工作,將會(huì)推動(dòng)未來(lái)更大陣列紅外焦平面成像技術(shù)和更加智能的紅外圖像算法的進(jìn)一步發(fā)展。