红外焦平面探测器复合条件工作点闪元标定方法

MEMS 2024-02-24 00:02

近年来随着无人机等远距目标检测需求的兴起,基于红外波段的弱小目标检测技术因其全天时、探测距离远、不主动发射电磁波等特点成为了研究热点。但红外探测器因其自身工艺水平不足,存在盲元、闪元等无效像元,导致红外弱小目标检测难度加大。其中盲元分为灰度值过高的亮元和灰度值过低的坏元,其位置相对固定,易于标定,通常探测器在出厂时进行标定;而闪元又被称之为过热像元、随机盲元等,其灰度值存在剧烈波动的情况,在时域上表现形式多变,呈现如1/f 噪声、爆裂噪声、阶跃噪声等噪声波形。同时闪元的位置受工艺缺陷、系统工作状态和随机噪声等因素的影响,在应用过程中并不完全固定,难以准确标定。

据麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院光电技术研究所与中国科学院大学电子电气与通信工程学院组成的科研团队在《光子学报》期刊上发表了以“红外焦平面探测器复合条件工作点闪元标定方法”为主题的文章。该文章第一作者为赵雯昕,通讯作者为赖雪峰。

本文从闪元产生的原因和机理出发,根据闪元典型时频特征的不同对闪元进行分类,在此基础上分析了复合条件工作点下闪元的特性以及使用原始灰度图像进行闪元检测存在的问题,提出了一种结合灰度域图像和能量域图像的复合条件工作点闪元标定方法。

闪元的产生原因和机理

国内外学者对闪元产生的机理进行了相关研究。GROSS W等认为闪元与1/f噪声有关,并且具有随机闪烁特性。黄杨程等认为离子注入成结中注入离子与碲镉汞相互作用引入的晶格缺陷和器件表面的缺陷引起载流子的涨落,最终导致噪声产生。李建林等认为材料器件工艺缺陷,热致损伤缺陷,信号传输路径缺陷都有可能造成无效像元的产生,此外外部环境应力或工作应力也是部分原因。周孝好等认为在器件的体内以及表面存在诸多的缺陷和杂质,这些缺陷和杂质在探测器的光电过程中将充当光生载流子的俘获、复合以及散射中心等角色,会导致载流子浓度或迁移率的涨落,最终形成探测器噪声。杨德振等认为闪元主要来源于碲镉汞等焦平面材料的离子键作用力弱,电学性能不均匀,载流子浓度不一致,成结损伤,同时探测器的1/f噪声也会带来像元灰度的闪烁,表现为像元输出电平有时正常有时无法表征辐射强度及其强度变化量等。

图1 HgCdTe探测器结构示意图

总的来说,闪元产生原因并不单一,闪元内部通常包含多种缺陷。其时序特性由缺陷和外部应力条件共同决定。复杂的缺陷机理和多变的外部应力条件导致了闪元时序特性的杂乱。根据典型时序特征的不同,将其分为四类闪元:Ⅰ类为正向爆裂噪声闪元;Ⅱ类为反向爆裂噪声闪元;Ⅲ类为阶跃噪声闪元;Ⅳ类为1/f噪声闪元。

Ⅰ类正向爆裂噪声闪元在时域上会随机出现向上尖峰值,主要来源于半导体缺陷在禁带中产生的缺陷能级,在半导体内部的电子发生跃迁时,内部的缺陷能级导致PN结内形成电位差,最终产生噪声。

Ⅱ类反向爆裂噪声闪元在时域上会随机出现向下尖峰值,是一种特殊的RTS噪声。当电子在PN结中流动时,PN结界面上存在的缺陷会随机地俘获和释放载流子,导致载流子流在时间上的不均匀性从而产生噪声。

Ⅲ类阶跃噪声闪元在时域上会随机出现阶跃变化,阶跃持续时间比Ⅰ/Ⅱ类闪元更长,且时域上存在多个阶跃。该类闪元的缺陷只在特定外部应力条件下使信号不稳定,产生阶跃干扰。

Ⅳ类1/f噪声闪元在时域上呈闪烁状,时域噪声主要表现为1/f噪声。这种噪声主要来源于晶体的接触不良,比如碲镉汞焦平面阵列与硅读出集成电路互连和信号传输引线键合的接触缺陷。

上述闪元对应的典型时域波形和其噪声功率谱密度图如图2所示。

图2 闪元与正常像元时域图和噪声功率谱密度

在红外弱小目标检测时,为了使系统工作在最佳工作状态,需要根据目标和场景的温度变化调节积分时间。对于红外相机而言,积分时间和探测温度的变化都会引起工作点的改变,进而带来不同的外部应力,致使闪元数量和位置发生变化。同一位置闪元在不同工作点下会表现出不同的特性,单一工作点对闪元激发条件不够充分,只有部分闪元表现出来;多个复合条件工作点对闪元激发条件更加充分,能够表现出更多闪元及其变化情况,本文将在多个复合条件工作点下探究各类闪元的变化特性。

复合条件工作点下的闪元特性及分析

为了探究工作点变化时,闪元和正常像元的差别,选取了典型的闪元和正常像元作为对比。图3为闪元和正常像元随温度、积分时间变化的灰度均值变化。积分时间延长,探测温度升高,正常像元灰度均值增加。图3中闪元灰度均值和增长趋势都相近于正常像元,难以利用灰度均值作为标准来检测闪元。

图3 正常像元与闪元不同工作点下灰度均值变化

探测温度和积分时间会改变像元内部直流电流大小、载流子浓度等因素,这些因素与闪元本身缺陷共同作用,使得闪元产生不同的特性。由图3可以看出,在不同工作点下闪元的灰度均值变化趋势与正常像元相似,但噪声波动又明显异于正常像元(图2)。说明闪元依然能够进行部分光电转换,但受其缺陷的影响,在时域上灰度值会出现明显波动。因此,闪元可以看作是在正常像元的响应上叠加了一个由像元缺陷导致的独立噪声。

为了更好地探究闪元随工作点变化的趋势,本文对比各类典型闪元在不同工作点下的时域均值噪声变化和波形图变化,如图4、图5所示。

图4 复合条件工作点下闪元噪声变化曲线,工作点以噪声均值大小排列

图5 复合条件工作点闪元时序波形图,工作点以噪声均值大小排列

总体而言,各类闪元在复合条件工作点下的特性不尽相同。对于Ⅰ类闪元而言,其产生的正向爆裂噪声随图像时域噪声均值增加而逐渐增加,这是由于PN结对应的工作电流变化引起的,当工作电流较大时,Ⅰ类闪元噪声更突出。对于Ⅱ类闪元而言,它在复合条件工作点上特性与Ⅰ类闪元正好相反,其噪声随图像时域均值增加而逐渐减小,当PN结工作电流较小时,PN结界面缺陷对其影响更大,Ⅱ类闪元噪声更突出。对于Ⅲ类闪元而言,在部分工作点上响应正常,而在某些工作点上会出现阶跃噪声。说明Ⅲ类闪元缺陷与PN结工作电流相关性不大,主要在特定应力下被触发,特定应力使得闪元信号传输路径参数出现变化,从而形成随机阶跃噪声。对Ⅳ类闪元而言,由于晶体接触不良的1/f噪声也受到PN结工作电流的影响,其噪声趋势变化和Ⅰ类闪元相似,随图像时域噪声均值增加而逐渐增加。除了上述典型闪元类型以外,还存在混合了多种缺陷的闪元,其表现特性更为杂乱。

基于上述情况,在单一工作点下闪元的触发条件不够充分,存在漏检可能。Ⅰ类和Ⅳ类闪元在温度低、积分时间短的工作点下易被触发,Ⅱ类闪元在温度高、积分时间长的工作点易被触发,Ⅲ类闪元触发条件较为随机。因此,闪元标定应考虑在多工作点下提供尽可能充分的激发条件,以便对闪元进行充分标定。

闪元标定方法及分析

在GB/T 17444-2013定义下:利用中波293K温度(长波利用308K温度)的面源黑体进行测试,如果噪声电压大于2倍的平均噪声电压,则认为是过热像元。除了国标以外,其他国家的公司等也给出了一些标定的方法。法国Sofradir公司认为噪声等效温差大于平均值2倍、响应率超出平均值±30%、漏电流超出平均值30%的像元为无效像元;德国AIM公司将噪声等效温差大于平均值2倍、响应率小于平均值50%或者大于1倍、噪声电压大于平均值5倍的像元定义为无效像元。上述标定方法包含了盲元与闪元两类无效像元,盲元主要通过响应率来进行标定,而闪元主要通过噪声电压、噪声等效温差等进行标定。在多种方法对比下,时域噪声能对波动变化进行较好的量化,且易于工程上实现。本文选择时域噪声均值的2倍作为闪元检测值。

能量域图像相较于原始灰度图像,能够降低图像的非均匀性,同时响应值不受积分时间的影响,适合应用于复合条件工作点下的红外检测场景。

本文将利用能量域图像和原始灰度域图像分别在多个工作点进行标定检测,以对应工作点的2倍时域噪声均值作为阈值,将检测结果做并集处理获得闪元表。流程示意图如图6。

图6 检测方法示意图

结论

红外探测器因其自身工艺水平不足,存在闪元等无效像元,加大了红外弱小目标检测难度。在红外系统实际使用过程中系统工作点的改变会引起闪元位置和数量的变化。单一工作点对闪元激发条件不够充分,其标定结果无法应对实际红外弱小目标检测场景中探测温度、积分时间的不断变化。

在总结闪元产生的原因和机理的基础上,根据闪元时频特性的不同将其分为四类典型闪元,分别为Ⅰ类正向爆裂噪声闪元、Ⅱ类反向爆裂噪声闪元、Ⅲ类阶跃噪声闪元和Ⅳ类1/f噪声闪元,并分析了各类闪元在多个复合条件工作点变化特性。四类典型闪元由于产生原因不同,在工作点变化时,特性变化也不同。Ⅰ类正向爆裂噪声闪元和Ⅳ类1/f噪声闪元其噪声随工作点时域噪声增加而缓慢增加;Ⅱ类反向爆裂噪声闪元其噪声随工作点时域噪声增加而缓慢减小;Ⅲ类阶跃噪声闪元在某些工作点会产生随机阶跃噪声。除了典型闪元以外还存在了混合多种缺陷的闪元,其特性更为复杂。

利用原始灰度图像对闪元进行检测,像元响应率较大的闪元易于检出,但像元响应率较小的闪元易被漏检;而能量域图像能够在校正图像非均匀性的同时响应值不受积分时间的影响,易于检测出像元响应率较小的闪元,弥补了这一问题。二者检测结果相结合,可使闪元标定更加充分。

本文在多工作点下结合原始灰度图像和能量域图像进行闪元检测,解决了单一工作点对闪元激发条件不够充分和像元响应率不均匀所造成的闪元漏检问题。经过实验验证,单一工作点下闪元检测率平均提高了12.49%,整体闪元检测率相较于传统方法提高了9.41%。

论文链接:

DOI: 10.3788/gzxb20245302.0204002

延伸阅读:
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》

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