紅外焦平面探測器復(fù)合條件工作點(diǎn)閃元標(biāo)定方法研究

近年來隨著無人機(jī)等遠(yuǎn)距目標(biāo)檢測需求的興起，基于紅外波段的弱小目標(biāo)檢測技術(shù)因其全天時、探測距離遠(yuǎn)、不主動發(fā)射電磁波等特點(diǎn)成為了研究熱點(diǎn)。但紅外探測器因其自身工藝水平不足，存在盲元、閃元等無效像元，導(dǎo)致紅外弱小目標(biāo)檢測難度加大。其中盲元分為灰度值過高的亮元和灰度值過低的壞元，其位置相對固定，易于標(biāo)定，通常探測器在出廠時進(jìn)行標(biāo)定；而閃元又被稱之為過熱像元、隨機(jī)盲元等，其灰度值存在劇烈波動的情況，在時域上表現(xiàn)形式多變，呈現(xiàn)如1/f 噪聲、爆裂噪聲、階躍噪聲等噪聲波形。同時閃元的位置受工藝缺陷、系統(tǒng)工作狀態(tài)和隨機(jī)噪聲等因素的影響，在應(yīng)用過程中并不完全固定，難以準(zhǔn)確標(biāo)定。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所與中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院組成的科研團(tuán)隊在《光子學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“紅外焦平面探測器復(fù)合條件工作點(diǎn)閃元標(biāo)定方法”為主題的文章。該文章第一作者為趙雯昕，通訊作者為賴雪峰。

本文從閃元產(chǎn)生的原因和機(jī)理出發(fā)，根據(jù)閃元典型時頻特征的不同對閃元進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上分析了復(fù)合條件工作點(diǎn)下閃元的特性以及使用原始灰度圖像進(jìn)行閃元檢測存在的問題，提出了一種結(jié)合灰度域圖像和能量域圖像的復(fù)合條件工作點(diǎn)閃元標(biāo)定方法。

閃元的產(chǎn)生原因和機(jī)理

國內(nèi)外學(xué)者對閃元產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究。GROSS W等認(rèn)為閃元與1/f噪聲有關(guān)，并且具有隨機(jī)閃爍特性。黃楊程等認(rèn)為離子注入成結(jié)中注入離子與碲鎘汞相互作用引入的晶格缺陷和器件表面的缺陷引起載流子的漲落，最終導(dǎo)致噪聲產(chǎn)生。李建林等認(rèn)為材料器件工藝缺陷，熱致?lián)p傷缺陷，信號傳輸路徑缺陷都有可能造成無效像元的產(chǎn)生，此外外部環(huán)境應(yīng)力或工作應(yīng)力也是部分原因。周孝好等認(rèn)為在器件的體內(nèi)以及表面存在諸多的缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)在探測器的光電過程中將充當(dāng)光生載流子的俘獲、復(fù)合以及散射中心等角色，會導(dǎo)致載流子濃度或遷移率的漲落，最終形成探測器噪聲。楊德振等認(rèn)為閃元主要來源于碲鎘汞等焦平面材料的離子鍵作用力弱，電學(xué)性能不均勻，載流子濃度不一致，成結(jié)損傷，同時探測器的1/f噪聲也會帶來像元灰度的閃爍，表現(xiàn)為像元輸出電平有時正常有時無法表征輻射強(qiáng)度及其強(qiáng)度變化量等。

圖1 HgCdTe探測器結(jié)構(gòu)示意圖

總的來說，閃元產(chǎn)生原因并不單一，閃元內(nèi)部通常包含多種缺陷。其時序特性由缺陷和外部應(yīng)力條件共同決定。復(fù)雜的缺陷機(jī)理和多變的外部應(yīng)力條件導(dǎo)致了閃元時序特性的雜亂。根據(jù)典型時序特征的不同，將其分為四類閃元：Ⅰ類為正向爆裂噪聲閃元；Ⅱ類為反向爆裂噪聲閃元；Ⅲ類為階躍噪聲閃元；Ⅳ類為1/f噪聲閃元。

Ⅰ類正向爆裂噪聲閃元在時域上會隨機(jī)出現(xiàn)向上尖峰值，主要來源于半導(dǎo)體缺陷在禁帶中產(chǎn)生的缺陷能級，在半導(dǎo)體內(nèi)部的電子發(fā)生躍遷時，內(nèi)部的缺陷能級導(dǎo)致PN結(jié)內(nèi)形成電位差，最終產(chǎn)生噪聲。

Ⅱ類反向爆裂噪聲閃元在時域上會隨機(jī)出現(xiàn)向下尖峰值，是一種特殊的RTS噪聲。當(dāng)電子在PN結(jié)中流動時，PN結(jié)界面上存在的缺陷會隨機(jī)地俘獲和釋放載流子，導(dǎo)致載流子流在時間上的不均勻性從而產(chǎn)生噪聲。

Ⅲ類階躍噪聲閃元在時域上會隨機(jī)出現(xiàn)階躍變化，階躍持續(xù)時間比Ⅰ/Ⅱ類閃元更長，且時域上存在多個階躍。該類閃元的缺陷只在特定外部應(yīng)力條件下使信號不穩(wěn)定，產(chǎn)生階躍干擾。

Ⅳ類1/f噪聲閃元在時域上呈閃爍狀，時域噪聲主要表現(xiàn)為1/f噪聲。這種噪聲主要來源于晶體的接觸不良，比如碲鎘汞焦平面陣列與硅讀出集成電路互連和信號傳輸引線鍵合的接觸缺陷。

上述閃元對應(yīng)的典型時域波形和其噪聲功率譜密度圖如圖2所示。

圖2 閃元與正常像元時域圖和噪聲功率譜密度

在紅外弱小目標(biāo)檢測時，為了使系統(tǒng)工作在最佳工作狀態(tài)，需要根據(jù)目標(biāo)和場景的溫度變化調(diào)節(jié)積分時間。對于紅外相機(jī)而言，積分時間和探測溫度的變化都會引起工作點(diǎn)的改變，進(jìn)而帶來不同的外部應(yīng)力，致使閃元數(shù)量和位置發(fā)生變化。同一位置閃元在不同工作點(diǎn)下會表現(xiàn)出不同的特性，單一工作點(diǎn)對閃元激發(fā)條件不夠充分，只有部分閃元表現(xiàn)出來；多個復(fù)合條件工作點(diǎn)對閃元激發(fā)條件更加充分，能夠表現(xiàn)出更多閃元及其變化情況，本文將在多個復(fù)合條件工作點(diǎn)下探究各類閃元的變化特性。

復(fù)合條件工作點(diǎn)下的閃元特性及分析

為了探究工作點(diǎn)變化時，閃元和正常像元的差別，選取了典型的閃元和正常像元作為對比。圖3為閃元和正常像元隨溫度、積分時間變化的灰度均值變化。積分時間延長，探測溫度升高，正常像元灰度均值增加。圖3中閃元灰度均值和增長趨勢都相近于正常像元，難以利用灰度均值作為標(biāo)準(zhǔn)來檢測閃元。

圖3 正常像元與閃元不同工作點(diǎn)下灰度均值變化

探測溫度和積分時間會改變像元內(nèi)部直流電流大小、載流子濃度等因素，這些因素與閃元本身缺陷共同作用，使得閃元產(chǎn)生不同的特性。由圖3可以看出，在不同工作點(diǎn)下閃元的灰度均值變化趨勢與正常像元相似，但噪聲波動又明顯異于正常像元（圖2）。說明閃元依然能夠進(jìn)行部分光電轉(zhuǎn)換，但受其缺陷的影響，在時域上灰度值會出現(xiàn)明顯波動。因此，閃元可以看作是在正常像元的響應(yīng)上疊加了一個由像元缺陷導(dǎo)致的獨(dú)立噪聲。

為了更好地探究閃元隨工作點(diǎn)變化的趨勢，本文對比各類典型閃元在不同工作點(diǎn)下的時域均值噪聲變化和波形圖變化，如圖4、圖5所示。

圖4 復(fù)合條件工作點(diǎn)下閃元噪聲變化曲線，工作點(diǎn)以噪聲均值大小排列

圖5 復(fù)合條件工作點(diǎn)閃元時序波形圖，工作點(diǎn)以噪聲均值大小排列

總體而言，各類閃元在復(fù)合條件工作點(diǎn)下的特性不盡相同。對于Ⅰ類閃元而言，其產(chǎn)生的正向爆裂噪聲隨圖像時域噪聲均值增加而逐漸增加，這是由于PN結(jié)對應(yīng)的工作電流變化引起的，當(dāng)工作電流較大時，Ⅰ類閃元噪聲更突出。對于Ⅱ類閃元而言，它在復(fù)合條件工作點(diǎn)上特性與Ⅰ類閃元正好相反，其噪聲隨圖像時域均值增加而逐漸減小，當(dāng)PN結(jié)工作電流較小時，PN結(jié)界面缺陷對其影響更大，Ⅱ類閃元噪聲更突出。對于Ⅲ類閃元而言，在部分工作點(diǎn)上響應(yīng)正常，而在某些工作點(diǎn)上會出現(xiàn)階躍噪聲。說明Ⅲ類閃元缺陷與PN結(jié)工作電流相關(guān)性不大，主要在特定應(yīng)力下被觸發(fā)，特定應(yīng)力使得閃元信號傳輸路徑參數(shù)出現(xiàn)變化，從而形成隨機(jī)階躍噪聲。對Ⅳ類閃元而言，由于晶體接觸不良的1/f噪聲也受到PN結(jié)工作電流的影響，其噪聲趨勢變化和Ⅰ類閃元相似，隨圖像時域噪聲均值增加而逐漸增加。除了上述典型閃元類型以外，還存在混合了多種缺陷的閃元，其表現(xiàn)特性更為雜亂。

基于上述情況，在單一工作點(diǎn)下閃元的觸發(fā)條件不夠充分，存在漏檢可能。Ⅰ類和Ⅳ類閃元在溫度低、積分時間短的工作點(diǎn)下易被觸發(fā)，Ⅱ類閃元在溫度高、積分時間長的工作點(diǎn)易被觸發(fā)，Ⅲ類閃元觸發(fā)條件較為隨機(jī)。因此，閃元標(biāo)定應(yīng)考慮在多工作點(diǎn)下提供盡可能充分的激發(fā)條件，以便對閃元進(jìn)行充分標(biāo)定。

閃元標(biāo)定方法及分析

在GB/T 17444-2013定義下：利用中波293K溫度（長波利用308K溫度）的面源黑體進(jìn)行測試，如果噪聲電壓大于2倍的平均噪聲電壓，則認(rèn)為是過熱像元。除了國標(biāo)以外，其他國家的公司等也給出了一些標(biāo)定的方法。法國Sofradir公司認(rèn)為噪聲等效溫差大于平均值2倍、響應(yīng)率超出平均值±30%、漏電流超出平均值30%的像元為無效像元；德國AIM公司將噪聲等效溫差大于平均值2倍、響應(yīng)率小于平均值50%或者大于1倍、噪聲電壓大于平均值5倍的像元定義為無效像元。上述標(biāo)定方法包含了盲元與閃元兩類無效像元，盲元主要通過響應(yīng)率來進(jìn)行標(biāo)定，而閃元主要通過噪聲電壓、噪聲等效溫差等進(jìn)行標(biāo)定。在多種方法對比下，時域噪聲能對波動變化進(jìn)行較好的量化，且易于工程上實現(xiàn)。本文選擇時域噪聲均值的2倍作為閃元檢測值。

能量域圖像相較于原始灰度圖像，能夠降低圖像的非均勻性，同時響應(yīng)值不受積分時間的影響，適合應(yīng)用于復(fù)合條件工作點(diǎn)下的紅外檢測場景。

本文將利用能量域圖像和原始灰度域圖像分別在多個工作點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定檢測，以對應(yīng)工作點(diǎn)的2倍時域噪聲均值作為閾值，將檢測結(jié)果做并集處理獲得閃元表。流程示意圖如圖6。

圖6 檢測方法示意圖

結(jié)論

紅外探測器因其自身工藝水平不足，存在閃元等無效像元，加大了紅外弱小目標(biāo)檢測難度。在紅外系統(tǒng)實際使用過程中系統(tǒng)工作點(diǎn)的改變會引起閃元位置和數(shù)量的變化。單一工作點(diǎn)對閃元激發(fā)條件不夠充分，其標(biāo)定結(jié)果無法應(yīng)對實際紅外弱小目標(biāo)檢測場景中探測溫度、積分時間的不斷變化。

在總結(jié)閃元產(chǎn)生的原因和機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)閃元時頻特性的不同將其分為四類典型閃元，分別為Ⅰ類正向爆裂噪聲閃元、Ⅱ類反向爆裂噪聲閃元、Ⅲ類階躍噪聲閃元和Ⅳ類1/f噪聲閃元，并分析了各類閃元在多個復(fù)合條件工作點(diǎn)變化特性。四類典型閃元由于產(chǎn)生原因不同，在工作點(diǎn)變化時，特性變化也不同。Ⅰ類正向爆裂噪聲閃元和Ⅳ類1/f噪聲閃元其噪聲隨工作點(diǎn)時域噪聲增加而緩慢增加；Ⅱ類反向爆裂噪聲閃元其噪聲隨工作點(diǎn)時域噪聲增加而緩慢減??；Ⅲ類階躍噪聲閃元在某些工作點(diǎn)會產(chǎn)生隨機(jī)階躍噪聲。除了典型閃元以外還存在了混合多種缺陷的閃元，其特性更為復(fù)雜。

利用原始灰度圖像對閃元進(jìn)行檢測，像元響應(yīng)率較大的閃元易于檢出，但像元響應(yīng)率較小的閃元易被漏檢；而能量域圖像能夠在校正圖像非均勻性的同時響應(yīng)值不受積分時間的影響，易于檢測出像元響應(yīng)率較小的閃元，彌補(bǔ)了這一問題。二者檢測結(jié)果相結(jié)合，可使閃元標(biāo)定更加充分。

本文在多工作點(diǎn)下結(jié)合原始灰度圖像和能量域圖像進(jìn)行閃元檢測，解決了單一工作點(diǎn)對閃元激發(fā)條件不夠充分和像元響應(yīng)率不均勻所造成的閃元漏檢問題。經(jīng)過實驗驗證，單一工作點(diǎn)下閃元檢測率平均提高了12.49%，整體閃元檢測率相較于傳統(tǒng)方法提高了9.41%。

審核編輯：劉清