微测辐射热计的非均匀性校正新方法

　　引 言

　　非制冷型微测辐射热计具有制造成本低、重量轻等优点。随着半导体集成电路技术的进步和相关探测材料研究的进展，其性能大为提高，可广泛应用于民用到国防等领域。探测器最终的性能主要取决于探测元阵列和读出电路，在微测辐射热计读出电路设计中最主要的问题之一是探测元阵列具有较大的非均匀性，要求其接口电路具有大的动态范围。非均匀性也称为空间噪声，制造工艺、探测材料和读出电路等等都会引入该噪声，它使得成像质量大为下降。为了获得令人满意的红外图像，必须要进行非均匀性校正，相关研究人员在该方面做了大量的工作[1, 2]。两点(增益和偏移) 校正是一种简单且实用的非均匀性校正方法，但是两点校正仅仅在一个近乎恒定的衬底温度下才能获得良好校正效果[1, 2]。为了克服对衬底温度的这种苛刻的要求，文中提出一种新型非均匀性校正方法。

　　1 基于两点校正的新型非均匀性校正方法

　　微测辐射热计的热平衡方程由式(1) 给出[3]，其中，W 是红外辐照功率，V 是施加在微测辐射热计上的脉冲电压，C 和 G 分别是微测辐射热计的总热导和总热容，Ts是热沉的温度，Td是微测辐射热计的温度，R 是微测辐射热计在温度 Td下的阻值。

　　微测辐射热计单元探测器结构如图 1 所示[2, 4]，Icomp等于没有红外入射光时的传感元中流过的电流。采用Matlab 软件对图1 所示结构进行仿真，假设探测器阵列具有均匀一致的衬底温度，仿真得到其中两个像素的输出曲线如图2。实线是像素在衬底温度 Tsub1下的输出，虚线是像素在衬底温度 Tsub2下的输出。从图中可以看出，探测器的输出具有良好的线性度。探测器输出的良好线性度正是两点校正的基础。经过两点校正后，可以在较宽的红外波段里得到背景限的红外图像[5]。考虑两个像素，像素 A 和像素 B，两点校正的过程如下：让同样的红外入射光同时入射到这两个像素上，对于功率为 Wo1的红外入射光，像素 A 的输出为Va1，像素B 的输出为Vb1;而对于功率为Wo2的红外入射光，像素A、B 的输出分别为Va2和Vb2。因此，可以得到这两个像素的线性输出模型：

　　以像素 A 为标准元，将像素 B 的输出乘上(Va2-Va1)/(Vb2-Vb1)，再加上(Va1Vb2-Va2Vb1)/(Vb2-Vb1)，像素 B即和像素 A 的输出方程一致。由于像素输出方程的斜率(响应率) 和截距(偏移) 随着衬底温度会发生改变，实际上两点校正只在一个近乎恒定的衬底温度内能够达到良好的效果。对于成像而言，只要图像数据之间保持一定的比例关系，信号处理之后可以获得可识别的图像。换而言之，对于均匀一致的输入红外能量，一致均匀的输出就是：所有的像素的输出相等，但不见得总是等于某个固定的值。以前面的两个像素为例，假设在衬底温度Tsub2下，对于Wo1的红外能量，两个像素输出分别为V'a1和V'b1;对于 Wo2的红外能量，像素输出分别为 V'a2和 V'b2。同样，可以得到衬底温度 Tsub2下像素A、B 各自的输出方程为