紅外圖像兩點(diǎn)非均勻性校正算法工程實(shí)現(xiàn)

何火勝

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件，但是，由于其像元紅外響應(yīng)度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質(zhì)量，所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需采用響應(yīng)的非均勻性校正技術(shù)。介紹了IRFPA非均勻性的產(chǎn)生機(jī)理和兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進(jìn)行兩點(diǎn)非均勻性校正工程實(shí)現(xiàn)，明顯改善了圖像效果。

關(guān)鍵詞：紅外焦平面；兩點(diǎn)法；非均勻性校正；工程實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件。由于受制造探測器半導(dǎo)體的質(zhì)量和工藝水平的影響，使得器件內(nèi)各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應(yīng)電壓，并且探測器各像元的響應(yīng)特性隨著工作環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致紅外圖像質(zhì)量下降，影響實(shí)際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進(jìn)行校正。目前，國內(nèi)外紅外圖像非均勻校正出現(xiàn)多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標(biāo)的算法?；趫鼍暗乃惴ㄔ诳朔蘒RFPA響應(yīng)偏移誤差方面存在優(yōu)勢，是目前研究的主要方向，但在實(shí)際工程中應(yīng)用的不多。由于基于定標(biāo)的算法簡單、精度高，所以被廣泛應(yīng)用。文中對基于定標(biāo)的二點(diǎn)非均勻性算法進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統(tǒng)的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經(jīng)過物體熱輻射、大氣傳輸、光學(xué)系統(tǒng)、探測器的轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)冗^程。紅外焦平面陣列非均勻性的產(chǎn)生是所有過程共同作用的結(jié)果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導(dǎo)體特性、放大電路和外部環(huán)境等。探測器自身的非均勻性在整個系統(tǒng)的非均勻性中占很大的比例，它的產(chǎn)生受到制造探測器的半導(dǎo)體質(zhì)量和加工工藝過程的影響。紅外光學(xué)系統(tǒng)中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)探測器的驅(qū)動信號或讀出電路的驅(qū)動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當(dāng)紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導(dǎo)致最終的圖像產(chǎn)生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環(huán)境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應(yīng)非均勻性。假設(shè)探測器的像元響應(yīng)曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應(yīng)曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應(yīng)特性曲線，φ表示紅外輻射強(qiáng)度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理

兩點(diǎn)非均勻性校正法是目前應(yīng)用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產(chǎn)生的機(jī)理來分析，假設(shè)探測器的響應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)的變化是線性的，其受隨機(jī)噪聲的影響很小，同時具有時間穩(wěn)定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應(yīng)表為：

在實(shí)際工程應(yīng)用中，將兩點(diǎn)非均勻性校正的參數(shù)Gi，j，Oi，j代入式（1）中進(jìn)行非均勻性校正。

3 兩點(diǎn)非均勻性校正算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 紅外硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文紅外系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統(tǒng)主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實(shí)現(xiàn)的過程如下：紅外目標(biāo)輻射經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)，其能量被紅外探測器接收，相關(guān)信息被采集后進(jìn)行輸出和加強(qiáng)，再送至A/D轉(zhuǎn)換器件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸入含有二點(diǎn)非均勻性校正程序的FPGA中進(jìn)行校正運(yùn)算，之后輸出經(jīng)過紅外增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器件完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，模擬信號再經(jīng)過放大器后輸入到終端顯示設(shè)備中，經(jīng)過二點(diǎn)非均勻校正過的紅外目標(biāo)圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統(tǒng)如

3.2 校正效果

用調(diào)好的系統(tǒng)先后對準(zhǔn)80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數(shù)據(jù)，計算出非均勻性校正系數(shù)，再存入FPGA中參與紅外圖像實(shí)時校正運(yùn)算，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統(tǒng)的非均勻性導(dǎo)致成像存在非均勻性。通過兩點(diǎn)非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結(jié)

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點(diǎn)定標(biāo)基準(zhǔn)溫度，并在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室常溫環(huán)境下進(jìn)行二點(diǎn)非均勻校正試驗(yàn)。結(jié)果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李旭，楊虎.基于兩點(diǎn)的紅外圖像非均勻性校正算法應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)募t外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產(chǎn)生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件，但是，由于其像元紅外響應(yīng)度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質(zhì)量，所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需采用響應(yīng)的非均勻性校正技術(shù)。介紹了IRFPA非均勻性的產(chǎn)生機(jī)理和兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進(jìn)行兩點(diǎn)非均勻性校正工程實(shí)現(xiàn)，明顯改善了圖像效果。

關(guān)鍵詞：紅外焦平面；兩點(diǎn)法；非均勻性校正；工程實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件。由于受制造探測器半導(dǎo)體的質(zhì)量和工藝水平的影響，使得器件內(nèi)各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應(yīng)電壓，并且探測器各像元的響應(yīng)特性隨著工作環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致紅外圖像質(zhì)量下降，影響實(shí)際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進(jìn)行校正。目前，國內(nèi)外紅外圖像非均勻校正出現(xiàn)多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標(biāo)的算法?；趫鼍暗乃惴ㄔ诳朔蘒RFPA響應(yīng)偏移誤差方面存在優(yōu)勢，是目前研究的主要方向，但在實(shí)際工程中應(yīng)用的不多。由于基于定標(biāo)的算法簡單、精度高，所以被廣泛應(yīng)用。文中對基于定標(biāo)的二點(diǎn)非均勻性算法進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統(tǒng)的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經(jīng)過物體熱輻射、大氣傳輸、光學(xué)系統(tǒng)、探測器的轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)冗^程。紅外焦平面陣列非均勻性的產(chǎn)生是所有過程共同作用的結(jié)果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導(dǎo)體特性、放大電路和外部環(huán)境等。探測器自身的非均勻性在整個系統(tǒng)的非均勻性中占很大的比例，它的產(chǎn)生受到制造探測器的半導(dǎo)體質(zhì)量和加工工藝過程的影響。紅外光學(xué)系統(tǒng)中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)探測器的驅(qū)動信號或讀出電路的驅(qū)動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當(dāng)紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導(dǎo)致最終的圖像產(chǎn)生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環(huán)境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應(yīng)非均勻性。假設(shè)探測器的像元響應(yīng)曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應(yīng)曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應(yīng)特性曲線，φ表示紅外輻射強(qiáng)度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理

兩點(diǎn)非均勻性校正法是目前應(yīng)用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產(chǎn)生的機(jī)理來分析，假設(shè)探測器的響應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)的變化是線性的，其受隨機(jī)噪聲的影響很小，同時具有時間穩(wěn)定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應(yīng)表為：

在實(shí)際工程應(yīng)用中，將兩點(diǎn)非均勻性校正的參數(shù)Gi，j，Oi，j代入式（1）中進(jìn)行非均勻性校正。

3 兩點(diǎn)非均勻性校正算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 紅外硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文紅外系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統(tǒng)主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實(shí)現(xiàn)的過程如下：紅外目標(biāo)輻射經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)，其能量被紅外探測器接收，相關(guān)信息被采集后進(jìn)行輸出和加強(qiáng)，再送至A/D轉(zhuǎn)換器件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸入含有二點(diǎn)非均勻性校正程序的FPGA中進(jìn)行校正運(yùn)算，之后輸出經(jīng)過紅外增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器件完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，模擬信號再經(jīng)過放大器后輸入到終端顯示設(shè)備中，經(jīng)過二點(diǎn)非均勻校正過的紅外目標(biāo)圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統(tǒng)如

3.2 校正效果

用調(diào)好的系統(tǒng)先后對準(zhǔn)80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數(shù)據(jù)，計算出非均勻性校正系數(shù)，再存入FPGA中參與紅外圖像實(shí)時校正運(yùn)算，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統(tǒng)的非均勻性導(dǎo)致成像存在非均勻性。通過兩點(diǎn)非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結(jié)

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點(diǎn)定標(biāo)基準(zhǔn)溫度，并在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室常溫環(huán)境下進(jìn)行二點(diǎn)非均勻校正試驗(yàn)。結(jié)果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李旭，楊虎.基于兩點(diǎn)的紅外圖像非均勻性校正算法應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)募t外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產(chǎn)生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件，但是，由于其像元紅外響應(yīng)度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質(zhì)量，所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需采用響應(yīng)的非均勻性校正技術(shù)。介紹了IRFPA非均勻性的產(chǎn)生機(jī)理和兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進(jìn)行兩點(diǎn)非均勻性校正工程實(shí)現(xiàn)，明顯改善了圖像效果。

關(guān)鍵詞：紅外焦平面；兩點(diǎn)法；非均勻性校正；工程實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進(jìn)紅外成像系統(tǒng)探測器件。由于受制造探測器半導(dǎo)體的質(zhì)量和工藝水平的影響，使得器件內(nèi)各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應(yīng)電壓，并且探測器各像元的響應(yīng)特性隨著工作環(huán)境溫度的變化而變化，導(dǎo)致紅外圖像質(zhì)量下降，影響實(shí)際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進(jìn)行校正。目前，國內(nèi)外紅外圖像非均勻校正出現(xiàn)多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標(biāo)的算法?；趫鼍暗乃惴ㄔ诳朔蘒RFPA響應(yīng)偏移誤差方面存在優(yōu)勢，是目前研究的主要方向，但在實(shí)際工程中應(yīng)用的不多。由于基于定標(biāo)的算法簡單、精度高，所以被廣泛應(yīng)用。文中對基于定標(biāo)的二點(diǎn)非均勻性算法進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統(tǒng)的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經(jīng)過物體熱輻射、大氣傳輸、光學(xué)系統(tǒng)、探測器的轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)冗^程。紅外焦平面陣列非均勻性的產(chǎn)生是所有過程共同作用的結(jié)果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導(dǎo)體特性、放大電路和外部環(huán)境等。探測器自身的非均勻性在整個系統(tǒng)的非均勻性中占很大的比例，它的產(chǎn)生受到制造探測器的半導(dǎo)體質(zhì)量和加工工藝過程的影響。紅外光學(xué)系統(tǒng)中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產(chǎn)生了一定的影響。當(dāng)探測器的驅(qū)動信號或讀出電路的驅(qū)動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當(dāng)紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導(dǎo)致最終的圖像產(chǎn)生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環(huán)境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應(yīng)非均勻性。假設(shè)探測器的像元響應(yīng)曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應(yīng)曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應(yīng)特性曲線，φ表示紅外輻射強(qiáng)度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點(diǎn)非均勻性校正算法原理

兩點(diǎn)非均勻性校正法是目前應(yīng)用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產(chǎn)生的機(jī)理來分析，假設(shè)探測器的響應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)的變化是線性的，其受隨機(jī)噪聲的影響很小，同時具有時間穩(wěn)定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應(yīng)表為：

在實(shí)際工程應(yīng)用中，將兩點(diǎn)非均勻性校正的參數(shù)Gi，j，Oi，j代入式（1）中進(jìn)行非均勻性校正。

3 兩點(diǎn)非均勻性校正算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 紅外硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文紅外系統(tǒng)采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統(tǒng)主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實(shí)現(xiàn)的過程如下：紅外目標(biāo)輻射經(jīng)過紅外成像系統(tǒng)，其能量被紅外探測器接收，相關(guān)信息被采集后進(jìn)行輸出和加強(qiáng)，再送至A/D轉(zhuǎn)換器件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸入含有二點(diǎn)非均勻性校正程序的FPGA中進(jìn)行校正運(yùn)算，之后輸出經(jīng)過紅外增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換器件完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，模擬信號再經(jīng)過放大器后輸入到終端顯示設(shè)備中，經(jīng)過二點(diǎn)非均勻校正過的紅外目標(biāo)圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統(tǒng)如

3.2 校正效果

用調(diào)好的系統(tǒng)先后對準(zhǔn)80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數(shù)據(jù)，計算出非均勻性校正系數(shù)，再存入FPGA中參與紅外圖像實(shí)時校正運(yùn)算，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統(tǒng)前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統(tǒng)的非均勻性導(dǎo)致成像存在非均勻性。通過兩點(diǎn)非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結(jié)

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點(diǎn)定標(biāo)基準(zhǔn)溫度，并在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室常溫環(huán)境下進(jìn)行二點(diǎn)非均勻校正試驗(yàn)。結(jié)果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]李旭，楊虎.基于兩點(diǎn)的紅外圖像非均勻性校正算法應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)募t外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產(chǎn)生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕