MOS电阻阵列非均匀性校正技术研究

第31卷 第3期 红 外 技 术 Vol.31 No.3 2009年3月 Infrared Technology Mar. 2009

148 MOS电阻阵列非均匀性校正技术研究 朱 岩，王仕成，苏德伦，张金生，廖守亿 （第二炮兵工程学院精确制导与仿真实验室，陕西 西安 710025）

摘要：电阻阵列是动态红外景像产生器的主要发展方向，作为红外景像生成系统中的关键器件，其成像质量的好坏直接影响到整个红外景像生成系统的性能。多种原因导致电阻阵列具有一定的非均匀性，因此在使用之前必须对其进行非均匀性校正。对电阻阵列非均匀校正技术进行了研究，发现国外常用的数据测量方法对红外测量设备的性能以及实验环境的要求很高，而目前国内红外测量设备的性能很难满足要求。因此，结合国内实际情况和现有实验条件，对国外常用的数据测量方法做了改进，提出了更适合在现有实验条件下应用的数据测量方法，并介绍了一种简便的数据处理方法。仿真结果表明，采用改进后的数据测量方法可以获得比较令人满意的非均匀性校正效果。 关键词：电阻阵列；非均匀性校正；稀疏网格；分段线性化 中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)03-0148-04

Researches on Nonuniformity Correction Technologies for Resistor Array ZHU Yan，WANG Shi-cheng，SU De-lun，ZHANG Jin-sheng，LIAO Shou-yi (The Precise Guidance and Simulation laboratory of the Second Artillery Engineering College, Xi’an, Shaanxi 710025, China)

Abstract：Resistor array is the main research direction of infrared scene generation devices. As the key device of the infrared scene generation system, the resistor array’s performance significantly affects the performance of the whole system. However, the resistor array has a nonuniformity caused by many factors, so a prior nonuniformity correction (NUC) procedure must be done before the array is used. We studied the nonuniformity correction technologies for resistor array, and find that internal infrared measuring equipments can hardly satisfy the precision demand of the measurement methods developed by foreign laboratories. In this paper, a refined measurement method is proposed according to the actual internal fact and existing laboratory condition, and a simple data-processing method is introduced. The simulating result shows that a satisfying NUC result is achieved through the refined measurement method. Key words：resistor array；nonuniformity correction；sparse grid；piecewise linearization

引言 动态红外景像产生器能够在实验室环境下产生二维红外景像，用来模拟真实物体及其环境的红外辐射，是红外硬件闭环（HWIL）仿真系统的核心器件[1,2]。

电阻阵列是动态红外景像产生器的主要发展方向，它可以满足大温度范围、高空间分辨率的要求。作为红外景像生成系统中的关键器件，电阻阵列工作性能的好坏直接影响着整个红外景像生成系统的性能。 电阻阵列的非均匀性是影响红外图像生成质量的重要因素。在理想情况下，如果给电阻阵列上所有

的电阻元输入相同的驱动电压，每一个电阻元会发出相同的红外辐射。但实际情况是，对于相同的电压输入，各个电阻元发出的红外辐射会有所差异。因此，电阻阵在实际使用之前都必须对其进行非均匀性校正（NUC）。影响电阻阵列非均匀性的因素有很多，包括电阻阵列自身固有的非均匀性、总线压降带来的非均匀性、电阻阵列暗电流引起的非均匀性等[3]。

电阻阵列自身固有的非均匀性是整个电阻阵列呈现非均匀性的一个主要原因。因此，当前国内外对电阻阵列非均匀性校正的研究主要集中在对电阻阵列自身固有的非均匀性的校正上。受制造工艺的影

收稿日期：2008-12-11；修订日期：2009-02-26. 作者简介：朱岩（1986-），男，山东青州，汉族，硕士研究生，研究方向为控制系统仿真与系统分析。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：60572061） 第31卷 第3期 Vol.31 No.3 2009年3月 朱 岩等：MOS电阻阵列非均匀性校正技术研究 Mar. 2009

149响，电阻阵列上的每个电阻元在外型尺寸、表面状况、电阻值、发射率等方面存在细微的差别。因此，在输入电压相同的情况下，每个电阻元会发出不同的辐射量，即每个电阻元都有自己的特定的响应函数。本文对128×128MOS电阻阵列的非均匀性校正技术进行了研究，结合国内实际情况和现有实验条件，对国外常用的数据测量方法做了改进，提出了更适合现有条件的数据测量方法，并介绍了一种简便的数据处理方法，给出了仿真验证结果。 1 非均匀性校正流程 总体上说，非均匀性校正主要包括两部分工作： 首先，采集电阻阵列的非均匀性信息。在实施具体的非均匀性校正措施之前，必须首先获取电阻阵列的非均匀信息。在一定的驱动电压下对电阻阵列的响应输出进行测量，这是最耗时的一部分工作，也是非均匀校正的基础，对电阻阵列测量的精度在很大程度上影响着非均匀校正的最终效果。 其次，数据处理，产生修正后的驱动数据。对电阻阵列的测量数据进行数据处理，得到与各个电阻元对应的驱动数据与辐射输出的对应关系，生成LUT（look-up-table）查找表存储在计算机里。对电阻阵列的测量、数据处理以及生成查找表的工作都是“线下”完成的。最后根据期望图像输出，实时产生修正后的与各个电阻元对应的驱动数据。 1.1 预先工作——红外相机校准 在数据采集过程中需要使用红外相机感应电阻阵列的响应输出。红外相机由红外焦平面（FPA）、透镜、真空槽等部件组成。红外相机的性能直接影响到非均匀性校正效果的好坏。实际上，相机本身同样具有非均匀性和误差，而且相机的非均匀性和误差会累加到电阻阵列的非均匀性之中。为了减小红外相机的非均匀性和误差对电阻阵列非均匀性校正效果的不良影响，在对电阻阵列进行测量之前必须对红外相机进行校准[4]。国内外在红外相机校准方面都已经作了许多研究，提出了许多有效的校准方法。由于这部分内容不在本文研究范围之内，在此不作详细论述。 1.2 测量电阻阵列的响应输出——稀疏网格法 测量电阻元响应输出的方法主要有2种——“稀疏网格（sparse grid）”法和“flood”法。这2种方法的不同点主要是两者在非均匀性信息的采集方法和数据处理方法上的不同。稀疏网格法是将电阻阵列划分成网格进行测量，而flood法是把整个电阻阵列作为一个整体进行测量，采样非均匀性信息并进行处理[5]。flood法需要复杂的算法，与之相比，稀疏网格法更加简便易用，而且比较直观，因此我们主要对稀疏网格法进行研究。 稀疏网格法的实施步骤如下： 1）在电阻阵列上划分网格。这种网格划分不是物理的，而是虚拟的、体现在软件之中的，目的是要为下一步的测量工作做准备。对于128×128的电阻阵列，若设定网格大小为8×8，那么电阻阵列被划分为16×16＝256个网格。 2）通过依次点亮网格图像，对电阻阵列的响应输出进行测量。电阻阵列的每一幅网格图像都是通过点亮各网格内的某一特定位置上的单个电阻元产生的。点亮每个网格第一行第一列的电阻元点亮，构成第一幅网格图像，将对以待测电阻元为中心，大小为3×3的区域中各个电阻元的测量值之和作为该待测电阻元的实际响应输出值。对第一幅网格图像测量完毕后，熄灭其中的电阻元，然后点亮每个网格第一行第二列的电阻元，构成第二幅网格图像。这样通过依次点亮每个网格内的单个电阻元，产生一幅幅网格图像，依次对网格图像进行测量，直到对整个电阻阵列测量完毕。对于128×128的电阻阵列，若设定网格大小为8×8，那么每一幅网格图像中都包含16×16＝256个亮点，测量整个电阻阵列所需要投射的网格图像数量为64幅。依次点亮网格图像的过程被形象地称为网格图像的“移位”。图1是电阻阵列网格图像产生和移位的示意图，图中所示为一个假想的4×4的电阻阵列，每个小方格表示一个电阻元。将该电阻阵列划分为4个网格，每个网格的大小为2×2，测量整个电阻阵列共需要投射4幅网格图像，如图1中(1, 1)、(1, 2)、(2, 1)、(2,2)所示。

(1,1)(1,2)(2,1)(2,2) 图1 电阻阵列网格图像的产生和移位示意图 Fig.1 Diagram of generation and shifting of grid images 稀疏网格法最大的优点在于便于单独对每一个电阻元进行观察和测量。图2所示是一个实际电阻阵列网格图像的例子。从中可以看出点亮电阻元的分布比较稀疏，由于各个电阻元的辐射基本没有耦合，所以比较容易单独测量每一个电阻元的辐射输出[6]。