一種基于控溫黑體的紅外實時校正技術(shù)

朱 輝，張 勇，陳志學，董期林，劉萬剛，羅蓓蓓

（西安應(yīng)用光學研究所，陜西 西安710065）

引言

紅外探測器由于受到材料和工藝水平的限制，存在非均勻性問題。紅外探測器非均勻性是指探測器各單元在均勻輻射輸入時各單元輸出的不一致性，又稱為固有空間噪聲［1-2］。這種噪聲會嚴重影響成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，進而影響光電系統(tǒng)的總體性能，必須進行紅外非均勻性校正（NUC）?；诤隗w參考源的定點兩點溫度校正法或者定點多點校正法是非均勻性校正中最直接、最基本的技術(shù)，在紅外成像系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在已研制生產(chǎn)的288行×4列二代掃描型熱像儀產(chǎn)品中，采用定點兩點溫度校正法進行校正。由于探測器的輸出非線性以及輸出特性本身會隨著時間和使用環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化，定點校正無法適應(yīng)這種時間性的變化，已標定的校正數(shù)據(jù)不適應(yīng)新的輸出特性，需要重新校正。這樣，成像系統(tǒng)要根據(jù)環(huán)境的變化進行頻繁的校正操作，顯然不能滿足軍事應(yīng)用產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性要求和實時性要求。本文提出一種改進方案，用于解決定點校正存在的缺陷。輸出響應(yīng)曲線在一定誤差范圍內(nèi)，可以認為是一致的。計算獲得的兩組修正系數(shù)會被記錄在熱像儀當中，在熱像儀工作的時候，調(diào)入校正系數(shù)修正探測器的輸出。

兩點校正是在一定溫度范圍內(nèi)采用線性模型近似，由于探測器輸出的非線性，當入射背景溫度遠離校正區(qū)域時，校正誤差就超出了噪聲限如圖1（c），圖像上就會出現(xiàn)非均勻性的空間噪聲。

圖1 基于線性模型的兩點校正方法Fig.1 Fixed two-point correction method based on linear model

1 常規(guī)的校正方法

兩點溫度或者多點溫度校正方法都是基于紅外探測器線性輸出模型的算法。探測器的電壓輸出會隨著入射光輻照度的增加而增大，而這種比例關(guān)系是非線性的。線性模型是假定在一定范圍內(nèi)，探測器的輸出可以近似用直線方程表示：

式中；是入射到探測器的光通量；Yi是探測器對應(yīng)的輸出電壓；斜率Ki是增益常數(shù)；截距Bi是偏移常數(shù)；i表示第i個探測元。對于n元探測器就對應(yīng)有n條響應(yīng)曲線。要實現(xiàn)探測器輸出響應(yīng)的一致性即實現(xiàn)非均勻性校正，必須通過2個溫度參考源來實現(xiàn)標定，如圖1（a）所示。

在實驗室里通過控溫黑體設(shè)定2個標定溫度點，這2個溫度點通常覆蓋熱像儀應(yīng)用的溫度段的兩端，一個低溫黑體設(shè)置在0°～10°，一個設(shè)置在40°～50°，設(shè)定2個溫度的黑體對應(yīng)的輻照度是

（m）和 （n）。以任意兩個探測元（i，j）為例，以探測器j的輸出作為歸一化基準，探測器i的校正過程如下：

先根據(jù)標定溫度點對應(yīng)的2個探測元的輸出電壓Y（m）i，Y（n）i，Y（m）j，Y（n）j計算增益 K 的修正系數(shù)，使2個探測元的輸出增益一致，如圖1（b）。這個過程稱為響應(yīng)率校正：

響應(yīng)率校正后，還存在偏移誤差?？梢栽O(shè)置一個中間溫度點 （c）計算偏移B的修正系數(shù)，如圖如圖1（c），這個過程稱為鉗位校正。 （c）的溫度點可以設(shè)置為 （m）， （n），也可以設(shè)置在 （m）和 （n）之間一個平均輻照度對應(yīng)的溫度點上。經(jīng)過鉗位校正后，在 （m）和 （n）之間，2個探測器的

為了全動態(tài)范圍內(nèi)有效地進行非均勻校正，基于多點校正的改進模型如圖2所示。多點校正雖然在一定程度上可以解決非線性的問題，但是還是存在缺陷。首先，由于對探測器輸出的不可預知性，使得在溫度點的設(shè)置存在不確定性。在實際應(yīng)用中，通常根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置幾個固定的溫度點，而這些溫度點的設(shè)置是為了擬合探測器響應(yīng)的輸出曲線。實際每個探測器單元的輸出斜率K的變化在設(shè)定的溫度段也是不一樣的，這種擬合誤差會很大。即使在實驗室里獲得較好的擬合效果，但是探測器的輸出特性本身會隨著時間和使用環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化，在實際應(yīng)用中，這種定點多點校正無法適應(yīng)時間性的變化，已標定的校正系數(shù)不適應(yīng)新的輸出特性，需要重新校正，這顯然不能滿足實時應(yīng)用的要求。

圖2 基于線性模型的多點校正方法Fig.2 Multi-point correction method based on linear model

2 采用溫控參考源實時校正的方法

采用溫控參考源實時校正是通過在探測器的成像光路里設(shè)置2個黑體溫控源，結(jié)合閉環(huán)溫度控制手段，控制2個黑體的溫度始終覆蓋探測器入射場景的溫度范圍。2個溫度點的設(shè)置采用一個高溫黑體，一個低溫黑體，溫度值分布在場景平均溫度的兩端。由于黑體設(shè)置在探測器的成像光路中，探測器可以實時采樣到標定黑體的輸出，而且黑體的輸出是實時跟隨場景的變化。在進行兩點溫度校正時，采用線性模型計算的參數(shù)也在實時變化，始終使校正誤差控制在噪聲限以內(nèi)，從而使圖像輸出能夠適應(yīng)不同溫度場景輸入，如圖3所示。這種方法解決了線性模型與探測器非線性輸出的適應(yīng)性問題。而且，相對于多點校正而言，始終跟隨探測器的實際輸出區(qū)間進行校正，校正算法上不需要考慮溫度區(qū)間的設(shè)定問題。由于是實時計算標定系數(shù)，也能適應(yīng)探測器輸出時間性的變化特性，環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于采用定標校正的熱成像系統(tǒng)。

圖3 基于控溫黑體的實時校正方法Fig.3 Real time correction method based on temperature control blackbody

本技術(shù)方案的具體實施針對二代掃描型熱像儀，由于掃描型熱像儀的成像特點，它在成像時，采用一維掃描方式，在水平掃描成像行程內(nèi)可以設(shè)置2個參考黑體源，位于掃描視場的兩端，如圖4所示。

圖4 掃描型熱像儀黑體設(shè)置方案Fig.4 Program setting of blackbody for scanning thermal

在一個20ms成像周期內(nèi)，探測器完成一次掃描輸出，如圖5所示。一個掃描周期既可以掃描到入射場景用于正常成像，同時也可以掃描到兩端的參考源，用于控溫的反饋輸入。入射場景對應(yīng)探測器的輸出電壓采用加權(quán)平均的方法，計算出場景對應(yīng)的平均電平Vb。在平均電平Vb的基礎(chǔ)上加上正負2個偏移量作為2個黑體溫控源的輸入指令，與黑體的即時溫度反饋量輸入到校正網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過校正輸出的誤差量最終送到功放驅(qū)動黑體控溫組件，實現(xiàn)黑體溫度跟隨場景溫度的閉環(huán)控制。

圖5 校正流程框圖Fig.5 Block diagram of correction progress

3 性能分析

3.1 非均勻性噪聲的評定

考慮到線陣列水平掃描的特點，非均勻性的空間噪聲體現(xiàn)在圖像垂直方向的相關(guān)性上，在圖像上會表現(xiàn)出明顯的水平明暗條紋，造成圖像垂直方向的相關(guān)性降低。所以對同一場景輸入分別采用定點校正和實時校正，針對校正輸出的圖像進行分析，計算垂直相關(guān)度來比較非均勻性空間噪聲的水平。具體方法：先對探測器每個探測單元校正后的數(shù)據(jù)進行水平平均，然后對相鄰探測器的輸出統(tǒng)計值進行梯度運算，對生成的梯度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計值的方差和最大及最小范圍可以表征校正后非均勻性噪聲的幅值水平。梯度統(tǒng)計值的方差越大，表示校正后探測元的響應(yīng)差異離散較大，即非均勻性的空間噪聲殘差較大，反之則越小。

3.2 數(shù)據(jù)分析

對兩幅場景進行校正后的圖像采集和比較分析。圖6針對透空場景，背景輻射溫度較低，圖7針對建筑物背景，有較高的背景輻射溫度，以檢驗算法對場景的適應(yīng)性。

兩種校正方法輸出的實際結(jié)果對比如圖6（a）與圖6（d），圖7（a）與圖7（d）所示。采用常規(guī)的定點校正算法對探測器進行標定后輸出圖像，當熱像儀工作一段時間后或場景變化后，會出現(xiàn)明顯的水平非均勻性的圖像噪聲。這就是由于探測器的輸出非線性以及輸出特性本身會隨著時間和使用環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化的特點而產(chǎn)生的。定點校正無法適應(yīng)這種時間性的變化，已標定的校正數(shù)據(jù)不適應(yīng)新的輸出特性，需要重新校正。重新校正或者調(diào)整校正參數(shù)都會受到環(huán)境條件和實時性的約束，最終無法輸出最優(yōu)的校正結(jié)果。而采用實時控溫的黑體提供校正基準，使得校正結(jié)果輸出始終控制在最優(yōu)的噪聲水平。

圖6 相同透空場景兩種校正方法的輸出結(jié)果Fig.6 Results of two correction methods to same air scenario

圖7 相同建筑物場景兩種校正方法的輸出結(jié)果Fig.7 Results of two correction methods to same building scenario

表1和表2分別給出了針對圖6，圖7兩個場景校正后的圖像數(shù)據(jù)表。根據(jù)圖像的分析和梯度統(tǒng)計數(shù)據(jù)表可以看出采用實時校正后的圖像的非均勻性噪聲在兩種場景下都明顯下降，不受時間的影響，在不同的場景下提升的水平不同。非均勻性空間噪聲的大小由圖像垂直梯度統(tǒng)計的標準方差來表征，定點校正標準方差約為4.0，實時校正的標準差為1.5～2，非均勻性空間噪聲降低50%～60%。

表1 相同透空場景兩種校正方法的數(shù)據(jù)分析對比Table 1 Data contrast of two correction methods to same air scenario

表2 相同建筑物場景兩種校正方法的數(shù)據(jù)分析對比Table 2 Data contrast of two correction methods to same building scenario

4 結(jié)論

本文通過在成像光路中設(shè)置2個可控溫的黑體用于紅外探測器的實時校正，保證在不同時刻以及不同應(yīng)用環(huán)境下，黑體的溫度始終實時地跟隨場景溫度，校正系數(shù)實時更新，使非均勻性校正的輸出誤差有效降低。通過實際的場景進行對比試驗，輸出圖像的統(tǒng)計計算結(jié)果表明：采用定點校正，非均勻性空間噪聲的大小約為4.0，而采用實時校正方法，噪聲的大小不大于2，實時校正方法使得非均勻性噪聲有效降低50%。該方案已經(jīng)實際應(yīng)用于某型號項目的紅外熱像儀，取得了很好的效果，整機性能獲得顯著提高。

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