线列TDI型红外探测器组件坏元替代方法

郭 亮,李冬冰,杨 微,石 纲,孙玉杰

(华北光电技术研究所，北京 100015)

·红外技术及应用·

线列TDI型红外探测器组件坏元替代方法

郭 亮,李冬冰,杨 微,石 纲,孙玉杰

(华北光电技术研究所，北京 100015)

国产线列TDI型红外探测器组件在红外系统中的应用越来越广泛,但由于加工材料和制造工艺等因素的影响,探测器组件存在坏元,将造成图像质量下降,图像灰度分布失真,进而影响红外系统的性能。本文介绍了576×6 线列TDI型红外探测器组件的读出电路坏元替代方法,采用该方法可进行线列TDI型红外探测器组件通道内的坏元替代,提高图像质量。

TDI;红外探测器;探测器盲元

1 引 言

红外探测器以全天候观测的优势在天文观测、红外遥感等领域得到了广泛应用[1]。基于第二代焦平面探测器的高性能热成像系统成为各国尤其是美国、英国、法国等军事技术发展和武器装备的重点。其中线列红外探测器技术的发展尤为引人注目[2]。目前已广泛应用于便携式地空导弹(以美国的“红眼睛”导弹为代表)、反舰导弹(以前苏联P-15导弹为代表)以及中低空防空导弹(美国“海麻雀”改型RIM-7R为代表)等武器系统中,并成为高性能第二代热成像系统选用的主要探测器类型之一[3]。

随着红外成像设备应用领域的扩展,人们对其成像质量也提出了越来越高的要求。但由于制造工艺、材料等因素的影响,线列扫描型红外焦平面探测器组件不可避免地存在着坏元、非均匀性等问题。

线列扫描型红外探测器组件种类较多,本文阐述了一种典型的576×6线列TDI型红外探测器组件的基本工作原理,提出了576×6线列TDI型红外探测器组件坏元问题,并给出了原因以及相应的解决办法,最后给出结论。同时,此方法可推广到同样具备此项功能的国产1024×6TDI型红外探测器组件以及法国Sofradir公司的480×6红外探测器组件。

2 576×6线列TDI型红外探测器组件坏元问题

576×6线列TDI型红外探测器组件由探测器混成芯片、微型杜瓦以及线性斯特林制冷机构成,如图1所示。

图1 576×6线列TDI型红外探测器组件构成

由于加工材料和制造工艺等因素的影响,实际使用的576×6线列TDI型红外探测器组件存在坏元。坏元包含盲元和闪元,盲元是指响应较弱或电平与其他像元差异较大的像元[4]。闪元是指在一定的时间范围内,探测器组件像元输出电平波动较大的像元。在图像中会表现为面对均匀背景时的输出电平发生明暗变化。

坏元将造成图像质量下降,图像灰度分布失真,噪声增大,进而影响红外系统的探测及跟踪精度[5]。尤其在线列型红外探测器组件使用过程中,某一通道的坏元将使扫描图像中的整列(或整行)输出电平不稳定,噪声增加,极大的影响了红外系统的图像质量。

3 576×6线列TDI型红外探测器组件坏元替代

3.1 读出电路功能原理

3.1.1 读出电路基本构成

576×6线列TDI型红外探测器组件的读出电路是基于硅基 CMOS技术。读出电路使得焦平面阵列(FPA)通过直接注入方式对光电二极管的信号进行采集、存储、延时积分,并进行信号传输及读出。

576×6线列TDI型红外探测器组件的读出电路包含光伏二极管的输入级、6个像元组成的TDI通道等。信号从输入级采集并传输到相应的TDI级。每个通道的前5个像元各有3级TDI存储器(或位),第6个像元有1级TDI存储器,整个通道有16级TDI存储器。图2所示为576×6线列TDI型红外探测器读出电路原理图。

图2 576×6线列TDI型红外探测器组件读出电路原理图

TDI存储器在三个连续模拟转换后,信号被加到相邻通道探测元的采样信号中,且每个像元的增益自动调节来确保适当的信号输出。设t为时间,T为一个周期,Si为像元i的输出电压信号,S6为第六级TDI的信号电压,有:

S6(t)=1/6×[S6(t)+ S5(t-3T)+ S4(t-6T)+ S3(t-9T)+ S2(t-12T)+ S1(t-15T)]

在不进行任何替代的情况下,576×6线列TDI红外探测器组件的输出为576个通道,其中每个通道的6个像元经过TDI处理后输出。

3.1.2 串行接口控制

576×6线列TDI红外探测器组件的读出电路除常规输出模式外,还具有数字串行控制字管脚,名称为SERDAT。

SERDAT是在每一帧中,加载到控制寄存器的串行输入数据。像元编程也通过该控制寄存器来完成。其定义如表1所示。SERDAT包含30位控制寄存器,用来建立和保持对芯片的配置。

表1 串行接口控制SERDAT管脚的定义

1.CNT

为串行接口控制使能位:高电平时,其允许GAIN3、GAIN2、GAIN1、DIR、BYPAS2、BYPAS1及SELECT等7个寄存器写入低电平时,锁存上述寄存器,寄存器保持状态,直到CNT变为高电平。

2.Gain3、Gain2、Gain1

调节探测器组件的输出增益。

3.DIR、BYPAS2、BYPAS1

DIR、BYPAS2、和BYPAS1用于单列寻址模式,单列寻址模式时,TDI寄存器被短路,通过DIR,BYPAS1及BYPAS2位的编码每个通道内的像元能够独立定位。在TDI模式运行时,BYPAS2、和BYPAS1必须置0,单列寻址模式仅为一种测试模式。单列寻址模式如表2所示。

表2 单列寻址模式的串口配置数据

4.SELECT

SELECT为像元选择寄存器,高电平时,选择所有的像元,通常阵列复位时所有像元都会被选择。低电平时,允许像元替代。

5.PGM

PGM为像元地址编程使能寄存器,高电平时,允许数据写入,来选择或不选择地址字所指向的地址。低电平时,不能进行数据写入。

如果SELECT及PGM位同时为1,输出无效。

6.12位数据字

576×6线列TDI红外探测器组件由一个奇数通道和紧邻的偶数通道组成一个12位数据字,数据字的每位与一个像元对应。如图3所示。

图3 12位数据字对应一个奇通道和一个偶通道

相应位上为1,表示选择该像元,为0则替代该像元。12位中的第一位与奇数通道的最左边像元相对应,12位中最后一位与紧邻的偶数通道的最右边像元相对应。

7.9位地址字

地址字分为两个部分,其中高三位的<8><7><6>对像元块进行地址编码。低6位<5><4><3><2><1><0>对像元块中的列(2个连续的通道)进行同时编码。

表3 高三位像元块地址编码

3.2 坏元替代方法

3.2.1 坏元测试方法

为替代576×6线列TDI型红外探测器组件通道内的坏元,需先确定坏元位置。在常规模式下,576×6线列TDI型红外探测器组件的输出仅为576个通道,无法确定通道内闪烁像元的位置。因此,在测试576×6线列TDI型红外探测器组件的坏元时,需采用单列寻址模式进行。

表4 低6位像元块中的列地址编码

单列寻址模式下,对SEDRAT串行接口进行定义,分别对各通道内的独立像元进行测试。测试系统原理图如图4所示。

图4 闪元测试系统原理图

分别对576×6线列TDI型红外探测器组件的6种寻址模式进行测试,每种单列寻址模式下的测试流程如下:

• 编辑单列寻址模式,并使探测器组件工作在单列寻址模式；

• 按GB 17444-2013的方法进行盲元计算；

• 面对均匀辐射光源进行两点校正,校正温度为20 ℃和35 ℃；完成后,面对25 ℃黑体进行单点校正；

• 采集50000帧图像；

• 计算576个像元在50000帧图像过程中的电平差异,超过校正后像元电平X个ADU的像元记为闪元；

• 盲元和闪元的和即为该单列寻址下576个像元的坏元位置。

• 重复编辑单列寻址模式,按上述方法采集并计算全部3456个像元,并记录全部坏元的位置。

3.2.2 坏元替代方法

完成坏元测试后,通过坏元的位置,调节SERDAT串行结构,进行坏元替代。具体替代方法举例如下。

通过计算发现第231通道第3元为坏元,增益采用0.84pC(100)。则：

TDI沿+X方向并且从通道5中替代像元2,那么有:

• 编程模式:CNT=1

• 0.84pC:GAIN3=1,GAIN2=0且GAIN1=0

• TDI方向沿+X:DIR=0

• TDI模式:BYPAS2=0且BYPAS1=0

• 替代和写入:SELECT=0 且PGM=1

于是控制语句为110000001；

• 从奇数通道中替代像元2 → 12位中的第3位设为0

于是数据字为110111111111；

通道231,对应的列为#8。因此,属于7和8像元块:<8>=0,<7>=1,<6>=1,列为<5>=0,<4>=0,<3>=1,<2>=0,<1>=0,<0>=0。

于是地址语句为011001000。

最后,SERDAT存储器编码应为:

110000001110111111111011001000。

对于其他像元替代(不属于#3列即通道5和6),在下一帧中会重复相同的程序,只是列地址和像元号不同。

一旦编程完成,为了保留编程状态,SERDAT必须设定为逻辑0。

这些编程是不能保持的,每次加电就需重新输入。

3.3 坏元替代测试结果

采用上述方法,对576×6线列TDI型红外探测器组件的坏元进行替代。

图5 坏元替代前后576×6线列TDI型红外探测器组件的输出电平图对比

图5所示为576×6线列TDI型红外探测器组件在进行坏元替代前后的输出电平差异,从图中可以看出,经过坏元替代的探测器组件其输出电平均匀性较好。

图6 坏元替代前后576×6线列TDI型红外探测器组件的成像图对比

图6所示为校正后的576×6线列TDI型红外探测器组件在坏元替代前后的成像图对比。图中可以看出,在坏元替代后,在图像中间出现的两条坏元完全消失,探测器组件的响应非均匀性提高,图像质量得到了大幅的提升。

4 结 论

利用线列TDI型红外探测器组件的单列寻址和像元替代功能,结合盲元及闪元测试方法,可将通道内的坏元完全去除,有效降低组件的坏元数量,大幅提升线列TDI型红外探测器组件的成像效果,提高红外系统的灵敏度。

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[4] General Administration of Quality Supervision and Quarantine of the People’s Republic of China and Standardization Administration of the people’s Republic of China.GB/T 17444-2013 .Measuring methods for parameters of infrared focal plane arrays[S].Beijing:China Standard Press.(in Chinese) 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.GB/ T 17444-2013.红外焦平面阵列特性参数测试技术规范[S].北京:中国标准出版社.

[5] Hao hai,Wang Yingrui.Influence of Blind Pixel of IRFPA on System Tracking Precision[J].Modern Defence Technology,2010,38(6):72-77.(in Chinese) 郝海,王英瑞.红外焦平面探测器的盲元对跟踪精度的影响[J].现代防御技术,2010,38(6):72-77.

Alternative method of linear TDI infrared detector blind pixel

GUO Liang,LI Dong-bing,YANG Wei,SHI Gang,SUN Yu-jie

(North China Research Institute of Electro-optic,Beijing 100015,China)

The linear TDI infrared detector is widely used in many fields.Due to the influence of some factors such as work materials and manufacturing process,there are blind pixels in infrared detector.Blind pixels will cause image degradation and the distribution distortion of image gray,which affects the performance of infrared system.An alternative method of blind pixel for 576×6 linear TDI infrared detector was introduced.Based on this method,blind pixels in channels of the linear TDI infrared detector can be replaced,which improves the image quality.

TDI；infrared detector；blind Pixel

郭 亮(1983-)，工程师，主要研究方向为红外焦平面探测器组件测试技术。E-mail：49436210@qq.com

2014-11-17;

2015-01-21

1001-5078(2015)07-0809-05

TN214

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.016