基于輻射定標的像元級雙增益紅外圖像重構(gòu)

行麥玲，楊小樂，鄧旭光，楊天遠

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

在空間紅外目標探測應用中，大動態(tài)范圍高靈敏度探測與目標高精度檢測是紅外相機需要重點解決的兩方面問題：首先以大動態(tài)范圍高靈敏度探測能力獲取目標圖像數(shù)據(jù)，保證弱目標有足夠的信噪比，強目標不飽和，然后對圖像進行非均勻性校正，非均勻性校正精度是實現(xiàn)高檢測概率、低虛警率的前提[1-4]。在相機成像過程中，遠距離弱目標在探測器焦面上形成的輻射量非常小，要保證一定的探測信噪比，要求相機靈敏度極高，通常會采用TDI 結(jié)合小電容讀出的方式以增大響應電壓，提高信噪比。然而小電容的滿阱電子數(shù)比較小，在同一時刻出現(xiàn)近距離強目標時，容易飽和，導致無法測量其輻射量。常規(guī)的解決辦法是，在強目標信號出現(xiàn)時，相機通常采取長短積分時間調(diào)節(jié)和大小電容調(diào)節(jié)減小信號累積[5-9]，以避免探測器飽和。這兩種方式都是將探測器所有像元同時改變其積分時間和電容，如此以來，在強弱目標共存時，無法保證弱目標的有效探測。洪聞青等人[10]提出采用基于不同積分時間幀累加的紅外圖像超幀方法在一定程度上可以同時兼顧靈敏度和動態(tài)范圍兩方面性能，但由于需要采集存儲多個子幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量緩存要求高，不利于空間相機星上實時處理。為此像元級雙增益自動控制讀出電路的探測器應運而生[11]。采用這種方式的TDI 探測器，其每列像元均有獨立的高低增益自動控制成像能力。

雙增益自動控制探測器的輸出信號對入射輻射能量的響應不單調(diào)，非均勻性校正前必須先做增益歸一化[12-13]，完成圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)。重構(gòu)方法將影響非均勻性校正精度，從而影響目標檢測概率和虛警率。文獻[5]中雙增益數(shù)據(jù)重構(gòu)采用了固定參數(shù)的方法，即所有像元采用同一組參數(shù)歸一化。由于像元級雙增益探測器每個像元的讀出電路配置無法做到完全一致，像元間的增益有所不同，因此，這種方法對像元級雙增益數(shù)據(jù)適應性較差。

文獻[11]在讀出電路硬件設(shè)計上采用了多電容采樣并結(jié)合獨特的內(nèi)部處理方式，可以去除像元間增益差異導致的非均勻性，但這種方式對讀出電路的要求很高，使讀出電路復雜化，實現(xiàn)難度大，極大地限制了像元級雙增益探測器的開發(fā)與應用。

本文分析了紅外TDI 探測器像元級雙增益自動控制成像及其信號響應原理，提出基于輻射定標的圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，在不增加讀出電路復雜度的情況下，提高圖像非均勻性校正精度。開展了輻射定標實驗，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了基于輻射定標法重構(gòu)的非均勻性校正精度。這種方法用于大規(guī)模像元級雙增益紅外探測器時，能夠降低讀出電路研發(fā)難度，提高其可靠性，滿足空間紅外目標大動態(tài)范圍高靈敏度探測需求。

1 像元級雙增益自動控制成像原理

下面以1024 列5 元參與TDI 的短波紅外探測器為例做介紹。

探測器讀出電路中每列像元通道均設(shè)計有比較器，比較器設(shè)定閾值電壓。相機在掃描成像過程中，TDI 探測器每列像元的5 個元參與TDI 轉(zhuǎn)移和信號累加。累加輸出后的信號電壓值與閾值電壓比較，若小于閾值電壓，則輸出5 元累加后的信號值，表現(xiàn)為高增益成像，否則，僅輸出中間元的信號，表現(xiàn)為低增益成像。在此過程中，中間元的信號分別保存于兩個存儲電容，其中一個電容的信號用于參與TDI 信號累加，實現(xiàn)相機高增益成像，另一個電容的信號用于單獨輸出，實現(xiàn)低增益成像。

由于每列像元都有獨立的比較器，因此，實現(xiàn)了像元級雙增益自動控制成像。

高增益輸出信號還可進一步通過放大器調(diào)節(jié)增益倍數(shù)，針對不同應用需求設(shè)置不同倍數(shù)。

2 基于輻射定標的數(shù)據(jù)重構(gòu)方法

在紅外相機系統(tǒng)成像時，探測器每個像元的輸出電壓由入瞳輻射形成的電壓、光機輻射形成的電壓、暗電流形成的電壓，以及讀出電路本底電壓4 部分組成。

探測器對入瞳輻射響應形成的電壓記為UEnp，則：

式中：LEnp為入瞳輻射亮度；τo為光學系統(tǒng)效率；ΩF為成像立體角（即光學系統(tǒng)相對孔徑形成的像方立體角）；Ad為探測器像元面積；τint為積分時間；λ為探測器響應波長；h為普朗克常數(shù)；c為光速；η為量子效率；Qe為電荷電量，1.6×1019C；C為探測器電容。

探測器對光機輻射響應形成的電壓記為UOm，則：

式中：LOm為光機輻射對探測器形成的光譜輻亮度；ΩOm為探測器焦面接收光機輻射的立體角。

由探測器暗電流形成的電壓記為UDc，則：

式中：IDc為暗電流。

圖1 像元級雙增益探測器信號讀出原理示意圖Fig.1 Pixel-level dual-gain detector signal readout schematic diagram

由圖1 和式(1)～(3)可以看出，UEnp、UOm和UDc在同一列每個參與TDI 的像元輸出值進行累加時，均有等量貢獻。因此在TDI 多元累加輸出的高增益模式和1 元輸出的低增益模式下，探測器輸出的總電壓可寫為如下形式：

式中：UHg、ULg分別為探測器高增益和低增益的輸出電壓值；fg為高低增益之間的倍數(shù)；UOH、UOL分別為高增益和低增益輸出時的讀出電路本底電壓。

由式(1)～(5)可得到，在只改變相機入瞳輻射量的情況下，探測器輸出電壓與相機入瞳輻射之間的關(guān)系可表示為：

式中：R為探測器低增益輸出的響應率。將式(6)中與入瞳輻射無關(guān)的量合并記為U0，式(7)中與入瞳輻射無關(guān)的量合并記為U0′，則：

式(8)、(9)分別描述了探測器每列像元高增益和低增益輸出時，探測器輸出電壓隨相機入瞳輻射亮度的變化關(guān)系。由此可見，對于相機來說，通過輻射定標的方法可以確定R、fg、U0和U0′。然后由式(8)、(9)，可得每個像元輸出電壓的重構(gòu)方程為：

式中：Uth為比較器閾值電壓；為重構(gòu)以后的偏置系數(shù)。由重構(gòu)算法可知，重構(gòu)時高增益輸出電壓值按照增益倍數(shù)和偏置系數(shù)做線性變換，低增益輸出值保持不變。

3 輻射標定實驗與數(shù)據(jù)重構(gòu)

為驗證上述模型的準確性，在實驗室環(huán)境下（控溫20℃±2℃），對具有像元級雙增益的1024×5 短波紅外TDI 探測器開展了輻射定標實驗。如圖2 所示，將黑體放置在探測器入光口前，距離探測器組件入光口10 mm，能夠覆蓋探測器冷屏光闌和全部像元。

實驗所用黑體及探測器組件的主要性能參數(shù)見表1 和表2。

實驗中，用黑體輻射等效入瞳處輻亮度經(jīng)光學系統(tǒng)之后到達探測器冷光闌處的輻亮度，通過改變黑體溫度來改變輻亮度，從而改變探測器光敏面上的輻照度。在探測器響應動態(tài)范圍內(nèi)，在283 K～446 K 范圍內(nèi)標定了30 個溫度點，獲得了不同輻亮度輸入時探測器的輸出信號電壓值。選取第4 像元和第5 像元進行分析，這兩個像元分別代表奇元和偶元的響應情況。在雙增益模式下，第4 像元和第5 像元的響應輸出與輻亮度值見圖3。

圖2 探測器實驗室輻射定標Fig.2 Radiance calibration of detector in lab

表1 黑體主要性能參數(shù)Table 1 Performance of the blackbody

表2 探測器主要性能參數(shù)Table 2 Performance of detector subassembly

由圖3 數(shù)據(jù)點可以看出，奇偶元之間的差異較為明顯，這是TDI 探測器奇偶元響應特點之一。全部測點的響應輸出明顯表現(xiàn)為線性階躍，由大斜率向小斜率變化時，即表明隨著黑體溫度升高，輻亮度增大，高增益響應輸出值達到飽和，大于比較器閾值，探測器以低增益輸出，像元增益發(fā)生了自動切換。

同一像元的高增益與低增益電壓輸出值的斜率和偏置不同。不同像元的增益切換點、斜率和偏置也有所不同，這也是影響探測器非均勻性的因素之一，數(shù)據(jù)重構(gòu)需考慮這一點。

圖3 兩列像元的雙增益輸出值Fig.3 Dual-gain output of two column pixels

下面比較兩種重構(gòu)方法：固定參數(shù)法和輻射定標法。

3.1 基于固定參數(shù)法的重構(gòu)結(jié)果

固定參數(shù)法是目前自動增益成像數(shù)據(jù)重構(gòu)的常規(guī)方法，即根據(jù)電路設(shè)計結(jié)果確定高低增益倍數(shù)和偏置系數(shù)，對所有元輸出值采用相同參數(shù)進行重構(gòu)。

根據(jù)電路參數(shù)設(shè)計值，實驗測試用探測器的高低增益倍數(shù)設(shè)計值fg為5.3，偏置系數(shù)為0.5V。采用此參數(shù)對所有像元重構(gòu)，其中第4 像元和第5 像元重構(gòu)結(jié)果見圖4。

圖4 采用固定參數(shù)法重構(gòu)的兩列像元輸出值Fig.4 Reconstruction results of two pixels based on fixed parameters

重構(gòu)之后的數(shù)據(jù)在增益切換前后仍然有一定階躍，尤其是像元5 較為明顯。采用最小二乘法線性擬合得到兩個像元各自的重構(gòu)方程為：

第4 像元的輸出電壓值與入瞳輻亮度的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9992，第5 像元的輸出電壓值與入瞳輻亮度的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9985.。

3.2 基于輻射定標法的重構(gòu)結(jié)果

采用輻射定標法確定像元4 的增益倍數(shù)為5.16，偏置系數(shù)為0.51。像元5 的增益倍數(shù)為5.66，偏置系數(shù)為0.49。

按照式(11)，第4 像元和第5 像元的輸出值重構(gòu)結(jié)果見圖5。

圖5 采用輻射定標方法重構(gòu)某兩列像元輸出Fig.5 Reconstruction results of two pixels based on radiance calibration

采用最小二乘法線性擬合圖5 數(shù)據(jù)，得到兩個像元各自的重構(gòu)方程為：

第4 像元的輸出電壓值與入瞳輻亮度的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9994，第5 像元的輸出電壓值與入瞳輻亮度的線性相關(guān)系數(shù)大于0.9992.。輻射定標法重構(gòu)方程的線性相關(guān)系數(shù)有所提高，輸出電壓值也看不出階躍。

4 精度分析

4.1 精度影響因素分析

實驗過程中可能影響標定精度的因素如下：

1）黑體測溫精度：會影響增益重構(gòu)精度，最高標定點輻亮度為1.685W/(sr·m2)，測溫精度0.01K，對標定精度的影響為0.05%；

2）黑體均勻性：會造成焦面照度不均勻，直接影響非均勻性校正精度，對標定精度的影響為0.05%；

3）探測器冷屏：在焦面處會造成照度不均勻，影響非均勻性校正精度，對標定精度的影響為0.05%；

4）黑體發(fā)射率：影響增益重構(gòu)精度，發(fā)射率不確定度為0.001，對標定精度的影響為0.1 %；

5）黑體穩(wěn)定度：影響增益重構(gòu)精度，穩(wěn)定度0.01K，對標定精度的影響為0.05%；

6）探測器噪聲：影響增益重構(gòu)和非均勻性校正精度，噪聲0.7 mV，對標定精度的影響為0.04%；

上述各因素之間不相關(guān)，因此，取其均方根作為對精度的綜合影響結(jié)果，經(jīng)計算為0.52%。

4.2 兩種方法精度對比

首先分析兩種不同方法重構(gòu)之后的線性度差異。為了具體分析全動態(tài)范圍內(nèi)線性情況，通過所有點的擬合殘差比較線性度。選擇重構(gòu)后階躍較為明顯的像元5 做對比，兩種重構(gòu)方法的擬合殘差見圖6。

圖6 兩種重構(gòu)數(shù)據(jù)的線性擬合殘差（方法A：固定參數(shù)法； 方法B：輻射定標法）Fig.6 Linear fitting residual by two methods(method A: fixed parameters.method B: radiance calibration)

由圖6 可見，雖然兩種方法的最大擬合殘差相當，但是基于輻射定標法重構(gòu)數(shù)據(jù)的線性擬合殘差整體小于基于固定參數(shù)法，而且基于輻射定標法的最大擬合殘差出現(xiàn)在即將飽和的區(qū)域。因此，實際成像并做輻射量反演時，基于輻射定標法重構(gòu)數(shù)據(jù)的使用價值更好。雙增益輸出值重構(gòu)后的線性度對非均勻性校正精度產(chǎn)生直接影響，進一步比較兩種方法重構(gòu)數(shù)據(jù)的非均勻性校正精度。

對1024 列像元做非均勻性定標，以281.68K（譜段輻亮度為0.002625W/(sr·m2)和420.8K（譜段輻亮度為0.874301W/(sr·m2)兩點作為非均勻性定標溫度點，計算校正系數(shù)，并計算其它各溫度點下校正精度。

兩點法校正探測器像元之間非均勻性校正算法如下：

式中：Ui,H、Ui,L分別為高溫定標和低溫定標時，像元i的圖像輸出值；為高溫定標時，所有像元的圖像輸出均值；為低溫定標時，所有像元的圖像輸出均值；ki和bi為像元i的非均勻性校正系數(shù)。

由式(13)、式(14)可得到ki和bi為：

式(17)中：Ui′為像元i校正后的圖像輸出值；Ui為像元i校正前的圖像輸出值。對圖像數(shù)據(jù)先重構(gòu)，之后按照式(15)、式(16)計算各像元的非均勻性校正系數(shù)，然后按照式(17)進行非均勻性校正。

全線列像元兩種重構(gòu)方法在各溫度點下的非均勻性校正精度見圖7 數(shù)據(jù)。

圖7 兩種方法重構(gòu)數(shù)據(jù)的非均勻性校正精度（方法A：固定 參數(shù)法；方法B：輻射定標法）Fig.7 Non-uniformity after correction by two methods(method A: fixed parameters, method B:radiance calibration)

由非均勻性校正精度比對可知，基于輻射定標法重構(gòu)數(shù)據(jù)的全部測點校正精度整體明顯優(yōu)于固定參數(shù)法?；诠潭▍?shù)法重構(gòu)數(shù)據(jù)的非均勻性校正精度最低為4.1%，而基于輻射定標法重構(gòu)數(shù)據(jù)的非均勻性校正精度最低為1.2%?？梢?，基于輻射定標法重構(gòu)雙增益圖像數(shù)據(jù)，可明顯提高非均勻性校正精度。

5 結(jié)論

針對像元級雙增益紅外TDI 探測器輸出信號特點，提出了基于輻射定標法的圖像數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，通過對輻射定標實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合得到各像元的重構(gòu)方程。實驗結(jié)果表明，基于輻射定標法重構(gòu)數(shù)據(jù)，將測試探測器輸出電壓值的非均勻性校正精度由4.1%提高到了1.2%。在不增加讀出電路復雜度的情況下，該方法改善了像元級雙增益成像的圖像質(zhì)量，這一點對于降低紅外目標檢測虛警率非常有意義，可應用于大動態(tài)范圍高精度紅外目標探測相機及其目標檢測系統(tǒng)。