崔 坤，陳凡勝，蘇曉鋒，梁清華，唐玉俊

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紅外焦平面探測器響應(yīng)率不穩(wěn)定像元快速篩選方法

崔 坤1,2，陳凡勝2，蘇曉鋒2，梁清華1,2，唐玉俊1,2

（1. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2. 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，制冷型紅外焦平面探測器在航空航天和民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。探測器像元響應(yīng)率的不穩(wěn)定性對紅外焦平面探測器定量化應(yīng)用產(chǎn)生非常大的影響。目前檢測響應(yīng)率不穩(wěn)定像元的方法主要通過定量化的黑體標(biāo)定的方法來實(shí)現(xiàn)，該類方法需要改變黑體溫度從而得到像元的響應(yīng)率，操作步驟和計(jì)算過程比較復(fù)雜，不易于高頻次的工程測試實(shí)現(xiàn)。本文提出了一種通過計(jì)算像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化來快速篩選不穩(wěn)定像元的方法，該方法每次測試時(shí)僅需要對著一個(gè)固定溫度的黑體，改變積分時(shí)間獲取一組探測器成像數(shù)據(jù)，通過計(jì)算每個(gè)像元的相對響應(yīng)率，然后對比像元在不同測試時(shí)得到的相對響應(yīng)率變化，通過與設(shè)定閾值的比較就可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)不穩(wěn)定性像元的篩選，自定義閾值還可以實(shí)現(xiàn)對響應(yīng)不穩(wěn)定像元進(jìn)行分級。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠有效篩選出響應(yīng)率不穩(wěn)定的像元，操作簡便，便于工程實(shí)現(xiàn)。

紅外焦平面探測器；響應(yīng)率不穩(wěn)定；相對響應(yīng)率；黑體標(biāo)定

0 引言

紅外探測器像元響應(yīng)率指在一定的幀周期或行周期條件下，紅外焦平面各像元對單位輻射功率產(chǎn)生的輸出信號電壓[1]。因此，像元量子效率和暗電流的改變都會(huì)引起像元響應(yīng)率改變，另外像元的響應(yīng)特性并非一成不變，而是隨著使用過程發(fā)生一定的變化[2]。經(jīng)過長期測試發(fā)現(xiàn)，紅外焦平面中僅有少部分像元存在響應(yīng)率變化較大的情況，該類像元的存在會(huì)影響探測器的定量化應(yīng)用，尤其是弱小目標(biāo)探測這類典型的應(yīng)用環(huán)境，因此，根據(jù)像元響應(yīng)率的變化對不穩(wěn)定性像元進(jìn)行篩選具有重要的意義。

在探測器像元響應(yīng)穩(wěn)定性研究方面，國外有研究機(jī)構(gòu)做了大量的研究工作，其中斯必澤（Spitzer）科學(xué)中心的S. Carey、J. Surace和加州理工學(xué)院的S. Willner等人對斯必澤太空望遠(yuǎn)鏡中的紅外探測組相機(jī)（IRAC）在軌運(yùn)行的最初4.5年獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)8mm的探測器組件中過熱像元的數(shù)量以每年60個(gè)的速度在增長[3]。

2010年4月，JWST（James Webb Space Telescope，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡）的NIR Spec研究小組發(fā)現(xiàn)原來測試合格的5mm截止波長的H2RG探測器經(jīng)過約18個(gè)月的存儲(chǔ)，發(fā)生功能退化，通過像元暗電流測試的方法發(fā)現(xiàn)探測器內(nèi)出現(xiàn)大量暗電流偏大的像元，暗電流從原來的小于0.01e－s－1，增大為0.1e－s－1～60 e－s－1。同年年底，NIR Cam研究小組發(fā)現(xiàn)同樣的問題出現(xiàn)在NIR Cam所用的4個(gè)5mm截止波長的H2RG探測器中[4]。

目前，國內(nèi)外研究像元穩(wěn)定性的方法主要為黑體標(biāo)定法，暗電流測試法[4]，NETD[2,5]等。黑體標(biāo)定法需要改變黑體溫度，并嚴(yán)格計(jì)算每個(gè)像元接收到的輻射通量，計(jì)算比較復(fù)雜，并且受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響較大。暗電流測試和NETD方法是一種間接評價(jià)像元響應(yīng)穩(wěn)定性的方法，操作步驟比較復(fù)雜。以上兩種方法都不利于高頻次的工程測試實(shí)現(xiàn)。相對改變黑體溫度，改變成像時(shí)的積分時(shí)間則變得非常容易，無論是像元量子效率的改變還是暗電流的改變都會(huì)影響像元隨積分時(shí)間變化的響應(yīng)率，因此本文使用變積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化來篩選不穩(wěn)定性像元。文中首先對探測器內(nèi)像元的響應(yīng)模型進(jìn)行分析，然后給出變積分時(shí)間像元響應(yīng)率變化的定義，之后給出文中提出方法的原理和步驟，最后通過實(shí)驗(yàn)對該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 像元篩選方法原理

1.1 單像元響應(yīng)模型

CMOS型碲鎘汞紅外焦平面探測器像元主要由光敏元、單元讀出電路、列選通電路及輸出緩沖器組成。其中，CTIA單元讀出電路結(jié)構(gòu)是一種使用廣泛的讀出電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有很多的優(yōu)點(diǎn)：能提供穩(wěn)定的探測器偏置，且有高的光電流注入效率、高增益和低噪聲[6]。因此，文中以CTIA結(jié)構(gòu)為例分析探測器像元的輸出響應(yīng)模型。單像元電路模型如圖1所示。

圖1 紅外探測器單像元模型

圖1中，光敏元完成光電轉(zhuǎn)換，積分電路實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，為了便于分析，將這兩部分單獨(dú)出來分析。另外，光電二極管采用光生電流ph、電阻d和電容d來等效。該兩部分的等效電路如圖2所示。

圖2 像元光電轉(zhuǎn)換電路

圖2中int為積分電容，rest是積分復(fù)位MOS管，ref是放大器正向輸入端的參考電壓，det是光電二極管的端電壓，運(yùn)算放大器的增益為c。

從(2)式可以看出，當(dāng)運(yùn)放近似理想運(yùn)放的時(shí)候， CTIA結(jié)構(gòu)像元輸出與積分時(shí)間呈線性關(guān)系。不過在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，并非必須將運(yùn)放的放大器倍數(shù)設(shè)計(jì)的極大，通過一些電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法同樣可以有效降低響應(yīng)輸出的線性度，文獻(xiàn)[8]使用電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法使得CTIA型單元讀出電路的非線性度小于1%。目前，工程應(yīng)用的CTIA結(jié)構(gòu)的輸出非線性度都非常小。因此可以近似采用(2)式進(jìn)行像元響應(yīng)特性分析。

圖2中，暗電流可以表示為：

因此，根據(jù)(2)和(3)式，再將列選通電路和輸出緩沖器及噪聲考慮進(jìn)去，像元最終的響應(yīng)輸出電壓變?yōu)椋?/p>

式中：1、2、3分別是源跟隨器、列緩沖器和輸出緩沖器的增益。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換的原理，光生電流正比于像元接收到的波段輻射通量，因此光生電流可以表示為：

ph＝(5)

目前紅外焦平面探測器像元的讀出電路結(jié)構(gòu)有多種形式，如自積分型（SI）、直接注入型（DI）等，雖然這些電路結(jié)構(gòu)形式不一致，不過對于電壓型輸出的探測器而言，一般都是利用光生電流（包括暗電流）在電容上積分實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，因此電壓輸出形式和CTIA結(jié)構(gòu)類似，可用如下模型來表示：

1.2 像元篩選方法的原理

由單像元響應(yīng)模型可知，當(dāng)像元的量子效率、暗電流改變時(shí)，即使像元接收同樣的波段輻射通量，像元輸出電壓隨積分時(shí)間的斜率也會(huì)改變。因此可以通過分析每個(gè)像元隨積分時(shí)間的響應(yīng)率來篩選響應(yīng)不穩(wěn)定像元。文獻(xiàn)[1]中給出了像元隨輻射功率的響應(yīng)率的計(jì)算公式如式(8)所示：

由于像元接收波段輻射通量的計(jì)算受多個(gè)因素的影響，嚴(yán)格計(jì)算比較困難，因此采用計(jì)算相對響應(yīng)率的方式來替代直接計(jì)算絕對響應(yīng)率，即：

那么，由(10)和(11)式可以得到相對響應(yīng)率的計(jì)算公式如下：

對于正常使用環(huán)境中的正常響應(yīng)的像元而言，光生電流一般會(huì)遠(yuǎn)大于暗電流，因此可以得到：

在不考慮輻射非均勻性的情況下，由(12)～(14)式可以得到：

從(15)式可以看出，在一定的波段輻射通量的范圍內(nèi)，像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率不再受波段輻射通量的影響，因此在實(shí)際測試中不需要嚴(yán)格計(jì)算像元接收到的輻射通量，只需要在測試過程中黑體的溫度穩(wěn)定即可。另外，由于像元的光子噪聲跟像元接收到的輻射功率有關(guān)，因此在兩次不同測試時(shí)，最好采用同一黑體溫度來降低噪聲對測試精度的影響。

相對響應(yīng)率僅能夠反應(yīng)一次測試中像元的響應(yīng)特性，為了方便對多次測試結(jié)果進(jìn)行對比，文中采用隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化來定量化分析像元穩(wěn)定性的變化情況。像元的相對響應(yīng)率變化定義為：對于同一像元，兩次實(shí)驗(yàn)測得的相對響應(yīng)率的差值除以第一次實(shí)驗(yàn)測得的相對響應(yīng)率，然后取百分比，具體計(jì)算公式如下：

另外，可以通過像元相對響應(yīng)率變化來對不穩(wěn)定像元進(jìn)行分級，從而實(shí)現(xiàn)紅外面陣探測器不穩(wěn)定像元的快速分級篩選。

2 像元篩選方法步驟

步驟1：設(shè)置面源黑體的溫度略高于測試環(huán)境溫度，在實(shí)驗(yàn)室條件下建議黑體溫度采用25℃，調(diào)節(jié)黑體與探測器的相對位置，使黑體覆蓋探測器全視場，記下黑體與探測器的相對位置，下次測試需要保持相對位置不變（主要消除輻射非均勻性的影響）。待黑體溫度穩(wěn)定以后，紅外面陣探測器測試系統(tǒng)上電，逐漸增大成像時(shí)的積分時(shí)間使探測器所有像元的輸出電壓均值逐漸增大到飽和輸出電壓，并記下此時(shí)的積分時(shí)間。

步驟2：細(xì)分積分時(shí)間序列，從0.1～0.9線性得到15個(gè)積分時(shí)間，然后逐漸改變積分時(shí)間，得到一組變積分時(shí)間的成像數(shù)據(jù)，每個(gè)積分時(shí)間下獲取100幀連續(xù)圖像數(shù)據(jù)。

步驟3：將每個(gè)積分時(shí)間下獲取的多幀數(shù)據(jù)通過累加平均的方式得到一幀圖像，降低測試系統(tǒng)噪聲。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用320×256的紅外中波面陣探測器，其像元采用CTIA讀出電路結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)測試方案示意圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試方案示意圖

通過表1可以看出，當(dāng)探測器輸出在30%～75%范圍內(nèi)變化時(shí)，有99.92%的像元的相對響應(yīng)率變化小于5%，說明在一定的輻射通量范圍內(nèi)，像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率基本是不變的，和接收輻射通量近似無關(guān)，在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用來分析像元響應(yīng)穩(wěn)定性的變化。

另外，為了驗(yàn)證本文提出的方法能夠有效地篩選出響應(yīng)率不穩(wěn)定的像元，根據(jù)本文第3部分給出的像元篩選步驟，對該探測器進(jìn)行2次測試，測試間隔大于10天，取出相對響應(yīng)率變化的絕對值大于5%的5個(gè)像元。作為對比，在每次測試時(shí)，固定積分時(shí)間為2ms，改變黑體溫度獲取一組變黑體溫度數(shù)據(jù)用于計(jì)算像元隨輻射通量的響應(yīng)率和響應(yīng)截距。由于像元隨積分時(shí)間和輻射通量的響應(yīng)線性度較好，在10%～90%動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)通過線性擬合得到每個(gè)像元隨積分時(shí)間或者輻射通量的相對響應(yīng)率和截距（數(shù)據(jù)采集電路采用16bit AD轉(zhuǎn)換器），如表2、表3所示。

表1 不同輸出條件下滿足閾值條件的像元比例

為了更清晰地顯示像元響應(yīng)特性的變化，下文給出4號像元在兩次試驗(yàn)中，隨積分時(shí)間和隨黑體溫度變化的響應(yīng)曲線如圖4、圖5所示。圖4、圖5中，兩次試驗(yàn)的均值響應(yīng)曲線近似一致。

通過表2、表3可以看出篩選出的像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化和隨輻射通量的相對響應(yīng)率變化有相同的變化趨勢，并且幅值接近，這與式(7)相符，同時(shí)也說明這些像元的暗電流變化不大。由于計(jì)算像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化比較容易，可以利用該方法作為一種預(yù)篩選的方法，對有漂移趨勢的像元做進(jìn)一步跟蹤和監(jiān)測。由式(7)可以看出，像元隨積分時(shí)間的響應(yīng)率還能反映像元暗電流的變化。與此不同，暗電流的變化恰恰體現(xiàn)在像元隨輻射通量輸出的截距上。

另外，本文提出的方法是在像元輸出為線性的情況下得到的，對于部分單元讀出電路結(jié)構(gòu)本身具有一定的非線性，此外對于像元信號輸出通路上的源跟隨器和輸出緩沖器而言，當(dāng)輸入電壓較小時(shí)或者近似等于供電電壓時(shí)，輸出都會(huì)呈現(xiàn)一定的非線性。這也是目前多數(shù)焦平面探測器像元響應(yīng)輸出呈現(xiàn)“S”型的原因之一。因此，本文提出的方法一般使用10%～90%動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算像元響應(yīng)率。

4 結(jié)論

本文提出了一種紅外焦平面探測器響應(yīng)不穩(wěn)定像元的快速篩選方法，該方法以像元隨積分時(shí)間的相對響應(yīng)率變化作為篩選依據(jù)。文中在CTIA結(jié)構(gòu)的單像元響應(yīng)輸出模型分析的基礎(chǔ)上給出了像元篩選方法的原理和具體實(shí)施步驟。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文提出的方法能夠有效篩選出響應(yīng)率變化的像元，并且該方法操作和計(jì)算方便，易于工程實(shí)現(xiàn)。

表2 隨積分時(shí)間相對響應(yīng)率和截距

表3 隨輻射通量的相對響應(yīng)率和截距

圖4 像元隨積分時(shí)間的響應(yīng)曲線

圖5 像元隨輻射通量的響應(yīng)曲線

[1] 丁瑞軍, 梁平治, 唐紅蘭, 等. GB/T 17444-2013. 紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014. DING Ruijun, LIANG Pingzhi, TANG Honglan, et al. GB/T 17444-2013. Measuring methods for parameters of infrared focal plane arrays[S]. Beijing: Standards Press of China, 2014.

[2] Greiner M E, Smith R L, Timlin H A. Uniformity and stability in 2-dimensional infrared focal plane arrays [C]//, 1994, 2225:176-184.

[3] Carey S, Surace J, Lacy M, et al. Stability of the infrared array camera for the Spitzer space telescope[C]//, 2008, 7010:10-17.

[4] Bernard J Rauscher, Carl Stahle, Robert J Hill. Commentary: JWST near-infrared detector degradation-finding the problem, fixing the problem, and moving forward[J]., 2012, 2 (2): 021901.

[5] State-of-the-art MCT IR-modules with enhanced long term and cycle stability[C]//, 2012, 8353: 83532L-1.

[6] 周世椿. 高級紅外光電工程導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014: 227-228.

ZHOU Shichun.[M]. Beijing: Science Press, 2014: 227-228.

[7] 文勇, 劉思超, 金友山, 等. CTIA型讀出電路非線性的研究[J]. 激光與紅外, 2009, 39(9): 978-981. WEN Yong, LIU Sichao, JIN Youshan, et al. Investigation on the nonlinearity of CTIA readout circuit[J]., 2009, 39(9): 978-981.

[8] 孫偉鋒, 宋文星, 謝亮, 等. CTIA型單元讀出電路非線性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 航空兵器, 2010, 2010(6): 48-52. SUN Weifeng, SONG Wenxing, XIE Liang, et al. Analysis and optimization on nonlinearity of CTIA readout circuit[J]., 2010, 2010(6): 48-52.

A Fast Screening Method of Pixels with Unstable Response Rate in IRFPA

CUI Kun1,2，CHEN Fansheng2，SU Xiaofeng2，LIANG Qinghua1,2，TANG Yujun2

（1. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China 2. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science, Shanghai 200083, China;）

With the development of infrared technology, cooled IRFPA detectors are widely used in aerospace and civil fields. The instability of pixels’ response rate has a great influence on the quantitative application of IRFPA detectors. The methods of detecting pixels with unstable response rate are mainly through quantitative blackbody calibration currently, which needs to change the blackbody temperature so as to obtain the pixels’ response rate, and the steps and calculations are very complicated. It is not easy for high-frequency engineering applications. This paper presents a fast screening method for pixels with unstable response rate by calculating the change of the pixels’ relative response rate with the integration time. In each test, it requires changing the integration time to obtain a set of imaging data with detector in front of a fixed temperature black body and calculating each pixel’s relative response rate. The change of each pixel’s relative response rate will be calculated. Then pixels with unstable response rate will be screened out through comparison with a setting threshold, and pixels can be classified by user-defined threshold. The experimental results show that the method can effectively screen out the pixels with unstable response rate, and the operation is simple and convenient, and it is easy to be realized.

IRFPA detectors，unstable response rate，relative response rate，blackbody calibration

TN215

A

1001-8891(2017)02-0130-06

2016-06-18；

2016-10-27.

崔坤（1989-），男，博士生，主要從事空間遙感圖像信息處理方面的研究。E-mail：cuikun_1989@163.com。

陳凡勝（1978-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事空間遙感方面的研究。E-mail：cfs@mail.sitp.ac.cn。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新基金（CX-60）。