电阻阵列非均匀测试与校正方法研究

李赜浩,廖守亿,张作宇

(火箭军工程大学控制科学与工程系,陕西 西安 710025)

1 引 言

红外目标景象模拟是红外技术发展历程中的重要产物,随着国防工业、医疗事业的进步,人们对该技术提出了越来越高的要求。在红外成像半实物仿真系统中,红外目标仿真技术是关键技术之一,红外目标模拟器可以将计算机生成的红外灰度图像数据转换成电信号以驱动红外投射器件产生红外热图像。随着微电子技术的发展,目前已有多种红外景象投射器件,如液晶光阀、激光二极管阵列、红外CRT、电阻阵列、数字微镜等等。电阻阵列具有辐射温度范围宽、图像帧频高、光谱谱带宽的优点,是国内目前最符合红外仿真需求的,也是发展最快和更有发展潜力的投射器件。

电阻阵列存在非均匀性的问题,这是影响红外图像投射质量的重要因素,也是一直以来相关研究的重点之一,其中澳大利亚防卫科技组织在该领域做过大量的研究工作,掌握最前沿的技术水准,为此后的研究者提供了借鉴和参考。Jones等[1]人于1997年提出了简化的实时非均匀性校正流程。通过辐射像元响应曲线求得校正的偏置值和增益值,并将校正参数存储于查找表中,从而实现实时校正。2003年,Brecck Sielinger和James Norman[2]提出基于稀疏网格的测试方法,避免了电阻阵列像元热串扰对非均匀测试产生的影响。2005年,Mark H.Bowden和James A.Buford等[3]人提出了一种逆电阻阵列像元响应特性测试方法,该方法可以抵消衬底加热对像元响应测试的影响。2012年,SBIRS的Joe LaVeignea等[4]人,采用混合非均匀性校正方法——稀疏网格法(Sparse grid)和全屏测试法(Flood)结合,对KHILS的MIRAGE H 512×512电阻阵列进行了非均匀性校正改进研究,校正后非均匀性降至1%以下。总的来说,国外非均匀校正研究起步早,效果明显,能够有效减轻测试过程中出现的图像退化模糊、边缘效应和莫尔条纹等对测试结果的影响。

国内在本世纪初才首次进行了非均匀测试,在国外研究方法的基础上加以验证和完善。2004年基于中科院上海技术物理研究所研制的64×64硅桥电阻阵列,南京理工大学的沈剑雷[5]对其进行了非均匀性测试,并利用对输入数据的修正改善了电阻阵列的非均匀性。2007年西北工业大学的张凯[6]对128×128电阻阵列建立了电压温度补偿数据表格,实现了对电阻阵列的修正。近年来,第二炮兵工程大学的苏德伦、杨春伟、朱岩等[7-9]人对稀疏网格法和全屏测试法做过原理及方法的描述,比较了二者的优缺点,尝试解决测试中的遗留问题并提出新的测试方法,取得了一定的成果。但是以上方法在校正步骤上不够细致,在精度和实用性方面也有待提升。本文详细分析了稀疏网格和全屏测试两种非均匀测试方法,并结合国产电阻阵列实际情况,提出了两种改进的非均匀校正流程——基于线性插值的校正和基于盲迭代的校正。通过仿真验证了二者的实效,得到很好地校正效果,提高了非均匀校正方法的实用性。

2 非均匀校正原理

2.1 非均匀性的成因

电阻阵列的发展经历了薄膜电阻、硅桥电阻、悬浮薄膜电阻,在结构上得到逐步优化,性能提升明显。然而在实际应用过程中,其仍存在不可忽视的缺点,即相同的驱动下,各个电阻辐射元所表现出来的响应特性是不相同的,如图1。横坐标为电压,纵坐标为辐射亮度灰度值。

图1 像元辐射特性曲线

其成因主要有:

(1)电阻在设计生产过程中基底材料不均匀、辐射率差异和反射率的不同；

(2)因供电电流较大导致器件地线上电位不均匀引起的总线压降；

(3)电容维持时间内的电压下降；

(4)动态运行时,导致的像元周围衬底的局部温度过高。

针对以上原因通常采取措施如下:

(1)改善材料和生产工艺；

(2)改善电阻阵列内部结构；

(3)改善驱动控制器设计；

(4)改善衬底散热。

但是电阻阵列因本身材料工艺带来的非均匀性却是最难克服的,尽管不断完善其性能仍难以进一步提升。因此非均匀性校正就显得愈发重要。

2.2 非均匀校正步骤

非均匀校正,通常是对辐射像元的输入进行校正。首先必须测试出每个像元的响应,计算辐射亮度与驱动电压的关系并得到校正所用的补偿参数,生成数据查找表以供在实时校正过程中调用。非均匀校正一般分为线性化环节和校正环节。

在以往实验中,所用电阻阵列的辐射响应非线性特征明显,为选取更少的实验测试点以降低工作量,减少插值的非线性误差,在校正时加入线性化环节。线性化一般方法是:计算辐射像元的平均响应曲线,以其作为该阵列校正时的标准参考曲线,然后求取反函数来实现,如图2。横坐标为辐射亮度灰度值,纵坐标为电压。

图2 像元平均响应反函数曲线

经过线性化过程处理后,对得到的测试数据进行三次样条曲线拟合可得出如图3中的近似线性关系,即是将电压与输出辐射亮度的关系曲线转换为平均输出亮度与各个像元辐射亮度之间的关系。从其曲线上选取若干个断点计算线性插值,进而获得校正输入所用的增益与偏置值以生成查找表数据。

图3 线性化后响应曲线

综上所述,目前广泛采用的实时校正流程如图4,图中Lin为给定输入,Lcorr为校正后输入,U为驱动电压。

图4 非均匀校正流程

3 数据处理

3.1 图像退化

已知校正像元需要测得响应曲线,逐一测量是不切实际的,随着阵列规模的增大,测试工作往往耗时耗力。又因为探测图像在形成、记录、处理、传输过程中由于成像系统、记录设备、处理方法和传输介质的不完善会产生的图像退化,引起电阻元辐射能量在探测器表面的扩散,相邻像元之间辐射能量会部分重叠,给测量结果带来误差,如图5所示。

图5 图像退化

因此为了防止探测像元能量的互相干扰,提高测量效率,便出现了间隔若干像元点亮测试的方法——稀疏网格法。图像f(x,y)退化的过程可以用以下数学表达式表示,h(x,y)表示退化函数,n(x,y)为噪声:

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

(1)

3.2 非均匀测试方法

3.2.1 稀疏网格法

稀疏网格法是避免测试时邻近像元能量重叠的一种方法,它将电阻阵列平面分成若干网格,每个网格有n×n个像元。每次测试中,仅点亮每个网格中同一位置的像元,这样能保证每两个点亮像元成像时能量的扩散不会互相干扰,如图6(a),因此无需获取点扩散情况。在下一轮测试中各网格同时移动点亮的像元位置,直至网格中所有像元测试完为止。此方法虽然工作量较大,但相较于逐个测试效率要高许多,并且能保证精确程度。

图6 稀疏网格测试法和逆稀疏网格测试法

该方法原理简单,不用投射像元和探测像元的精确对准,对映射比例没有严格的要求,鲁棒性好。但是存在信噪比差的缺点,当驱动电压较低的时候容易被环境噪声干扰,因此稀疏网格法常用于高压驱动的情况。为解决低驱动信号容易被湮灭的问题,逆稀疏网格法被提出。

逆稀疏网格法的测试恰好与稀疏网格法相反,测试中将网格全部点亮,然后熄灭各个网格中同一位置的像元,通过评估网格中能量的损失来确定该像元的辐射强度,如图6(b)。逆稀疏网格法解决了低压影响,也避免的全屏测试法的发射源输出互相重叠,导致采样困难的问题。然而在高压驱动时,该测试方法如全屏测试法一样会因电流过大导致辐射阵列承受不住所给的驱动电流。并且需要进行像元的对准。因为一旦涉及大面积点亮像元,就不可避免引入条纹干扰,尽可能的像元对准是必要的。

3.2.2 全屏测试法

Flood法是继稀疏网格法之后提出的一种有效测试方式。它拥有效率高、准确度高、实时性好等特点,适合实验中采用。该方法也存在算法复杂、需要光学配准、容易引入干扰因素的问题[10]。光学设备的对准和驱动电压过高都是成为影响其成像质量及亮度测量的外在原因。Flood方法的特点是在测量电阻响应情况时同时点亮整片区域,然后可通过逐步迭代,从模糊图像中提取出非均匀信息并补偿非均匀性,使得投射图像最终趋于预设亮度。校正过程中如何处理像元之间的能量重叠以及采样噪声的影响是难点。

4 改进的非均匀校正方法

4.1 简化的非均匀校正

结合正、逆稀疏网格法的特点,高压区采用正稀疏网格法,低压区采用逆稀疏网格法,恰好避免了二者的测试缺陷。第一节中已介绍了通用的非均匀校正流程,研究者对于电阻阵列的响应曲线特性给出了校正前先线性化的解决办法。而实际由国内自主研发的电阻阵列的响应曲线在对应高驱动、低驱动区域非线性程度不高,因此线性化环节在校正过程中是可以省去的。这样则简化了实时校正过程,提高了运算速度,无需严苛的操作环境和高性能的硬件设施。该方法不仅操作简单,也同样具备较高的精确度。具体步骤如下:

(1)对阵列进行网格划分,选取若干个温度测试点,依次作为输入信号。在高压和低压驱动时,分别按照正、逆稀疏网格法的测试方式测得每个辐射像元的若干组响应,经过三次样条拟合成曲线,如图7所示。横坐标为电压,纵坐标为辐射亮度。

图7 国产阵列电阻响应曲线

(2)省去线性化环节后,此时可以对该拟合出的曲线求反函数并直接进行分段线性插值。因其弱非线性,分段点不必选择过多。低压部分断点可选择较稀疏,随着电压增加,相应的亮度变化率较快,因此该部分可多分几段,直到基本能保证一定误差范围即可。插值得出的曲线方程如式(2),通过关系式可得到校正后的电压值。

(2)

(3)每个辐射像元按照同样步骤得到校正关系式,计算各分段亮度范围内的增益和偏置,生成校正查找表存于计算机内存。以上步骤均在“线下”完成。

“线上”部分为校正部分,由计算机输入需要投射的亮度信息,在驱动电阻前调用校正查找表。对不同的电阻元,根据输入转换成相应驱动电压,经过D/A转换后即可用于驱动电阻阵列,如图8,图中Lin为给定输入,U为校正后驱动电压。

图8 简化的非均匀校正流程

4.2 改进的线性插值法

盲迭代法是基于Flood方法中最简单最基本的校正手段,就是在点扩散函数未知的情况下进行的一种图像复原方式[11]。在理想条件下,它是一种很好的非均匀校正手段。它的使用条件是辐射像元和探测像元能够1∶1精确对准,从而可以避免莫尔条纹的出现；经验证,当映射比大于1.3时,莫尔条纹对校正的影响可以忽略。其迭代原理如图9所示。

图9 Flood盲迭代法

探测一幅经过退化的红外图像u,G为标准输入灰度图;以固定噪声N模拟非均匀信息,h为退化函数:

u=Gout=(G×N)⊗h

(3)

(4)

非均匀信息提取过程是将本次迭代产生的增益与之前的累乘在一起得到Gnuc,再将此数据用于补偿输入:

(5)

但是以上条件的实现比较困难,对实验仪器环境要求比较高。为了使得该方法能适用于更普通的情况,则考虑结合稀疏网格法的测试特点。校正过程如图10所示。

图10 改进线性插值法

在改进的插值法中,数据的测试过程用到稀疏网格法的点亮方式和全屏测试法的数据处理方式。根据对测量数据进行的迭代计算,存储每一个辐射像元的增益值,并以该增益作为辐射输入的函数值。测试时根据能量的弥散程度适当选择网格大小,保证相互之间的间隔使得能量重叠较少又不至于太密。这样不仅能通过数次迭代准确地得到探测数据,也不要求严格的像元对准,既提高了非均匀校正精度,加快收敛速度,又能减少测量工作量。杨春伟在文献[12]中也提出了仅间隔单个像元点亮的方式,结合Flood法的数据处理过程得到响应曲线,但校正上沿用的是原有插值方法,且该方法随着弥散增大,像元对准程度的影响就不可忽略。

当“离线”完成好对每个辐射像元的增益计算后,根据多组数据拟合出一条输入与增益的关系曲线。数据表明,该曲线表示的函数关系,近似于原校正方法曲线中的输入亮度(横坐标)和响应亮度(纵坐标)对输入亮度的商之间的关系,降低了单位函数值的变化量,因而更加趋于线性,具有更小的插值误差。随着电阻阵列初始非均匀性的增加,效果越明显。

5 仿真验证

当给定一帧均匀输入图像,辐射亮度为65 W/(sr·m2)时,投射图像校正前如图11,校正后如图12和图13所示。

图11 校正前投射图像

图12 线性插值法校正后投射图像

图13 改进线性插值法校正后投射图像

对比校正前后的投射图,两种校正方法得出结果的非均匀性明显改善。其中原线性插值法对高频的非均匀性消除效果较好,低空间频率还残留阴影。因为进行线性插值不可避免的误差,对本身非均匀程度不高的辐射元来说,校正效果不明显。而改进的线性插值法校正效果整体上要优于前者。对比图12和图13,可以发现,前者校正后图像亮度整体偏高,这也是由插值误差引起的。表1是在相同输入,不同初始非均匀程度时两种方法校正水平对比。

表1 残余非均匀性比较

当初始非均匀性低于10%后,校正后的图像能够达到很高的均匀度,像元之间的响应差异基本可以忽略。本文介绍的两种方法均有很高的校正精度,其中改进的插值法能实现更小的校正误差,大大提升了校正水平。

6 结 论

文中介绍了正、逆稀疏网格法结合的测试手段,扩大了测量范围,提高了测试精度,加上简化后的插值校正方式令整个过程更合理可靠。而后提出改进插值法作为校正手段,其具有更快的收敛速度和收敛程度。实验表明,本文对测试和校正所做出的调整优化了工作量,得到精确的校正结果。今后的工作可以考虑继续围绕优化数据处理方式进行,针对各种客观因素进行改进,从而发现更具适应性的测试与校正方法。