紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展

紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展

0大面陣探測器的應(yīng)用趨勢紅外成像系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。其主要應(yīng)用特點(diǎn)是,面陣規(guī)模集中在640×512和384×288兩種,極少數(shù)紅外探測器高端機(jī)型采用1024×768面陣規(guī)模;探測器的封裝以金屬為主,以陶瓷為輔,WLP產(chǎn)品較少;處理器主要采用現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)方案,沒有標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理芯片。這些應(yīng)用特點(diǎn)決定了紅外成像系統(tǒng)的特點(diǎn):價(jià)格高、開發(fā)難度大和開發(fā)周期長。這些特點(diǎn)制約著紅外成像系統(tǒng)的大面積推廣。紅外成像系統(tǒng)的普及需降低成本和開發(fā)難度。晶圓級封裝探測器加上專用集成電路(Application-SpecificIntegratedCircuit,ASIC)芯片,在大幅降低成本的同時(shí)也大幅降低了開發(fā)難度,因此必然是未來的發(fā)展趨勢;相關(guān)行業(yè)已開始這種嘗試。美國FLIR公司推出的成像模組Lepton就是晶圓級封裝小面陣探測器加上ASIC芯片的初步嘗試。從成像效果上看,它可以滿足民用低端市場的需求。隨著探測器制造工藝的進(jìn)步和像元尺寸的縮小,大面陣探測器的應(yīng)用開始增多。與640×512元探測器相比,大面陣探測器更適于觀察類應(yīng)用。同樣的焦距下,大面陣探測器覆蓋的場景更廣闊,觀察的細(xì)節(jié)更豐富。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低,大面陣探測器的應(yīng)用方向會越來越多。目前幾乎沒有關(guān)于晶圓級封裝大面陣探測器和專用紅外圖像處理芯片的應(yīng)用,也缺少該方面的技術(shù)積累。本文主要基于煙臺艾睿光電科技有限公司開發(fā)的1280×1024元晶圓級封裝探測器以及專用的圖像處理芯片進(jìn)行大面陣探測器的應(yīng)用分析,即在系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)散熱、成像算法等方面進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1rtds121w探測器的數(shù)字接口本文采用艾睿光電科技有限公司研發(fā)的WLP封裝、數(shù)字輸出、1280×1024陣列規(guī)模的非制冷紅外探測器。該探測器的功能框圖如圖1所示。RTDS121W探測器已集成了14bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogDigitalConverter,ADC)和非均勻性校正(On--chipOffsetCalibration,OOC)功能。對外的數(shù)字接口主要有三部分,分別是時(shí)鐘輸入(MCK)、數(shù)字輸入(SD<5∶0>)和數(shù)字輸出(DO<13∶0>)。該探測器的主要特性見表1。1.2fpga控制器erp本系統(tǒng)采用的紅外圖像處理芯片(ImageSignalProcessor,ISP)為艾睿光電科技有限公司開發(fā)的專門針對紅外圖像處理的RS001型集成電路芯片。該芯片是我們專門為自產(chǎn)紅外探測器定制的紅外圖像處理芯片,可以取代當(dāng)前應(yīng)用中的FPGA芯片,縮小系統(tǒng)尺寸,降低成本和功耗。RS001芯片的主要功能如下:(1)內(nèi)部集成8051控制器,速度高達(dá)120MHz。(2)接口部分包括驅(qū)動(dòng)紅外探測器的數(shù)字接口和兩路并行數(shù)字視頻輸出接口,外部的控制接口采用集成電路總線(Inter--IntegratedCircuit,IIC)或者通用異步收發(fā)傳輸器(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,UART)。(3)ISP的最大處理能力為1280×1024@60fps,最快主時(shí)鐘為100MHz;輸入數(shù)據(jù)的精度為14bits,輸出為8bits、10bits、14bits的灰度圖像或者是YUV422彩色圖。(4)ISP的功能包括非均勻性校正、CDC短壞列糾正、去橫豎紋、去盲元、時(shí)域?yàn)V波、去鍋蓋、鏡像、空域?yàn)V波、自動(dòng)增益補(bǔ)償(AutomaticGainControl,AGC)、數(shù)字圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)(DigitalDetailEnhancement,DDE)、GAMMA調(diào)整和縮放等功能。(5)最大功耗為600mW。(6)芯片的封裝尺寸僅為11mm×11mm。1.3基于fpga的l東南角信號轉(zhuǎn)換電路成像系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換部分、探測器、ISP、通用串行總線控制器(UniversalSerialBus,USB)和CameralLink信號收發(fā)器組成。其中,電源轉(zhuǎn)換部分的主要功能是將輸入電源轉(zhuǎn)換為各芯片需求的電壓。探測器和ISP在前兩節(jié)已介紹。USB控制器將上位機(jī)通過USB發(fā)送的命令信號轉(zhuǎn)換為IIC信號并將其發(fā)送給ISP,從而實(shí)現(xiàn)對ISP芯片的配置。CameraLink信號收發(fā)器主要將ISP輸出的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為CameraLink標(biāo)準(zhǔn)信號,以便于上位機(jī)進(jìn)行采集分析。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。1.4探測器的熱仿真大面陣紅外探測器在實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)是功耗高、溫度變化快,圖像均勻性容易受到影響。所以最好針對探測器進(jìn)行專門的散熱設(shè)計(jì),使系統(tǒng)溫度不太高,同時(shí)使紅外焦平面的溫度足夠穩(wěn)定。本文對最終成像組件進(jìn)行了熱仿真(結(jié)果見圖3)。其中探測器的溫度如圖4所示。從仿真結(jié)果看,整個(gè)組件的最高溫度為40℃,探測器整體的溫度均勻性不超過0.2℃,基本滿足設(shè)計(jì)要求。2關(guān)鍵一環(huán)細(xì)化非均勻性校正是紅外成像算法的第一步,也是關(guān)鍵一環(huán)。本文不做深入研究,只介紹艾睿探測器自帶的校正技術(shù)(片上非均勻性校正)和業(yè)內(nèi)常用的非均勻性校正方法(兩點(diǎn)校正法)。2.1探測器輸出數(shù)據(jù)的配置片上非均勻性校正屬于粗略的均勻性校正,主要目的是使紅外焦平面上每個(gè)像素的輸出集中在某個(gè)均值附近,即每個(gè)像素的原始輸出在合理的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。實(shí)現(xiàn)方式是在RTDS121W探測器芯片上集成OOC功能。通常情況下,在沒進(jìn)行OOC校正之前,探測器每個(gè)像素的輸出差異較大。圖5所示為面對均勻黑體輻射源時(shí)探測器的原始輸出數(shù)據(jù)。從圖5中可以看出,原始輸出分布在2000～14000之間,探測器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍為0～16383。很多像素的原始輸出已經(jīng)接近動(dòng)態(tài)范圍的邊緣,因此無法有效利用整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。這些差異主要是由加工工藝導(dǎo)致的。為了讓像素之間的原始輸出差異足夠小,需要對每個(gè)像素配置不同的OOC值,以調(diào)節(jié)輸出。通過探測器數(shù)字輸入引腳配置OOC值。圖6所示為探測器面對均勻黑體輻射源并經(jīng)片上非均勻性校正后的輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由圖6可以看出,探測器所有像素的輸出都集中在8000～9000之間。對比圖5和圖6可知,經(jīng)片上非均勻性校正后,整個(gè)面陣的均勻性已達(dá)到比較高的水平。校正之后的圖像數(shù)據(jù)大多集中在校正目標(biāo)左右;對于少數(shù)無法校正的像元,可將其作為盲元處理。2.2片上非均勻性校正紅外探測器的非均勻性有兩種。一是與輸入信號無關(guān)的偏移量非均勻性,由加工工藝引入。偏移量非均勻性在焦平面溫度固定時(shí)是不變的,可以認(rèn)為是直流分量。二是由探測器像素對輸入信號響應(yīng)不均勻造成的增益非均勻性。偏移量非均勻性和增益非均勻性同時(shí)存在,二者疊加在一起,對探測器的響應(yīng)信號產(chǎn)生影響。因此,通過對焦平面陣列各像素的增益非均勻性和偏移量非均勻性進(jìn)行校正,能有效提高圖像的質(zhì)量兩點(diǎn)校正的理論推導(dǎo)過程(?)=式中,?為輻射通量,對于單個(gè)像素,(?)=式中,增益校正(3)(4)式中,=Σ=Σ圖7展示了兩點(diǎn)校正之后面對均勻黑體輻射源的圖像數(shù)據(jù)。片上非均勻性校正將探測器的輸出集中在8000～9000之間。兩點(diǎn)校正之后整個(gè)數(shù)據(jù)集中在8240～8420之間,整幅圖像的數(shù)據(jù)更集中,整個(gè)畫面的均勻性更好。3無tec算法的探測器輸出校正本次采用的WLP封裝的探測器沒有半導(dǎo)體制冷器(ThermalElectricCooler,TEC)。該探測器的功耗較高、發(fā)熱多,本身的溫度波動(dòng)大,尤其是剛開機(jī)的一段時(shí)間內(nèi),溫度變化快,導(dǎo)致上面的均勻性校正誤差變大。這對探測器的應(yīng)用非常不利。為解決此問題,有兩種方法。第一種是在機(jī)芯溫度穩(wěn)定之前較頻繁地打快門,以更新OOC校正和兩點(diǎn)校正中的偏移量校正。實(shí)際應(yīng)用中,大概每分鐘打一次快門就能達(dá)到較好的效果。另一種方法是應(yīng)用TECLESS算法。其核心思想是,在工作溫度范圍內(nèi),在不同溫度下獲取探測器的原始輸出,然后通過算法擬合探測器的輸出隨溫度變化的漂移,從而得到擬合系數(shù);在成像時(shí)根據(jù)探測器的溫度變化,補(bǔ)償由溫度變化導(dǎo)致的探測器輸出變化量,以減小探測器輸出隨溫度變化的非均勻性。本文在擬合算法上嘗試了Polynomial模型,其公式為=Σ圖8所示為其中一個(gè)像素?cái)M合完后的曲線。橫坐標(biāo)通過無TEC算法處理可以緩解由溫度變化導(dǎo)致的增益漂移,但實(shí)際應(yīng)用中則很難完全消除增益漂移。最終的成像效果