非制冷紅外焦平面探測器固定圖形噪聲研究

雷述宇，陶 禹，楊 妮，方 輝，譚 果

(1.北方廣微科技有限公司，北京 100089；2.63961部隊，北京 100012)

·紅外材料與器件·

非制冷紅外焦平面探測器固定圖形噪聲研究

雷述宇1，陶 禹2，楊 妮1，方 輝1，譚 果1

(1.北方廣微科技有限公司，北京 100089；2.63961部隊，北京 100012)

針對國標GB/T17444-2013中對紅外焦平面陣列(Infrared Focal Arrays，IRFPA)固定圖形噪聲定義不能直接反映成像畫面質(zhì)量的問題，指出IRFPA在實際成像時要先經(jīng)過非均勻性校正，校正殘留才是影響成像質(zhì)量的主要因素。本文先介紹了典型的兩點校正方法，基于典型兩點校正提出隨環(huán)境溫度實時更新的兩點校正公式。通過對校正后的探測器輸出通過時域濾波和小波變換分離出了固定圖形噪聲(FPN)，給出了FPN的測試和計算方法。討論了如何選擇定標溫度點來計算增益校正系數(shù)使得FPN值在指定的溫度范圍最小。通過對比4個增益校正陣列各個溫度點下的FPN曲線，并結(jié)合同一參考目標的成像畫面，驗證了本文提出的FPN值能夠準確反應成像畫面質(zhì)量。

IRFPA；空間噪聲；FPN；兩點校正

1 引 言

非制冷紅外焦平面陣列(Uncooled Infrared Focal Arrays，Uncooled-IRFPA)探測器作為第三代低成本紅外探測器[1]，它的出現(xiàn)進一步拓寬了紅外傳感器的應用領(lǐng)域，從最初的軍事應用逐漸擴展到了包括工業(yè)測控、醫(yī)療檢測、防火防災等在內(nèi)的更為廣闊的民用領(lǐng)域。不同的應用場合，對探測器的性能指標要求不同，但固定圖形噪聲(Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN)作為影響成像質(zhì)量的重要因素，受到不同程度的關(guān)注。

國內(nèi)對IRFPA的固定圖形噪聲(FPN)定義在國標GB/T17444-2013中有表述，其內(nèi)容是：紅外焦平面在均勻輻照條件下，各有效像元輸出電壓的均方根偏差[2]計算公式如下：

FPN=STD(Vo′)

(1)

其中,Vo′是除去死像元和過熱像元后的焦平面像元電壓輸出。

GB/T17444-2013中對FPN的定義是基于探測器本身，并未對成像畫面的噪聲做出定性或定量表述。在實際的成像系統(tǒng)中，實時成像之前都要對探測器的輸出做非均勻性校正(Non-UniformityCorrection，NUC)，校正后的信號再通過顯示設(shè)備轉(zhuǎn)換成最后的畫面信息[3]。因此，要衡量實際探測器的成像質(zhì)量，簡單應用GB/T17444-2013中的定義是不準確的，畫面中的噪聲其本質(zhì)是非均勻校正后的殘留，這種殘留才是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的對非均勻性殘留定義和度量方法，因此本文提出了一種針對非均勻校正后殘留噪聲的計算和量化方法：通過分時域濾波確定FPN，并通過小波變換分離出FPN的高、低頻分量，最后證明通過小波變換后的高頻分量是影響成像分辨率的主要因素。

2 非均勻性校正

焦平面器件應用至今同，國際上已經(jīng)提出了多種非均勻均勻性校正的方法，其中有的已經(jīng)應用，有的正在理論探索和實驗室研究階段[4]?，F(xiàn)有非均勻性校正算法有基于參考源的定標類校正算法(Caliberation-BasedNUC,CBNUC)和基于場景自適應校正算法(Scene-BasedNUC,SBNUC)。CBNUC通過輻射定標獲得增益和偏置參數(shù)對IRFPA進行校正，其典型通用方法是兩點校正法，由于該方法原理簡單，計算量小，因而實時性好，硬件中更易實現(xiàn)，現(xiàn)已被廣泛應用在實時成像系統(tǒng)中。SBNUC利用探測器相應模型和圖像幀間關(guān)系，根據(jù)場景信息動態(tài)更新校正參數(shù)，有效解決時間積累或工作環(huán)境帶來的時間漂移，實現(xiàn)動態(tài)實時非均勻性校正[5]。

2.1 傳統(tǒng)兩點校正算法

兩點校正方法假設(shè)探測器陣列的所有像元在關(guān)注的溫度范圍內(nèi)的響應曲線是線性的，如式(2)所示：

Vi,j(φ)=ai,j×φ+bi,j

(2)

式中,φ為入射到第(i,j)個焦平面單元的輻照度;Vi,j(φ)是輻照度為φ時第(i,j)個焦平面單元的輸出電壓值;ai,j和bi,j分別為Vi,j-φ直線的斜率和截距[6]。

從式(2)模型可以看出，探測元之間的非均勻性主要是探測元線性關(guān)系的斜率和截距之間的差異，兩點校正就是對這兩個變量進行校正。

實際應用時的定標方法是：選用黑體作為探測器目標，黑體溫度代替輻照度作為定標參考(假設(shè)黑體溫度和黑體輻照度等價)，分別選用兩個黑體溫度TH和TL作為定標溫度，測量TH和TL對應的響應電壓輸出VH和VL，對第(i,j)個像元根據(jù)式(2)列方程：

VH(i,j)=ai,j×TH+bi,j

(3)

VL(i,j)=ai,j×TL+bi,j

(4)

將TH和TL下所有像元輸出歸一化到陣列均值，得到式(5)和(6)：

(5)

(6)

(7)

(8)

則黑體溫度為T時，單個像元的校正公式可表示為[7]：

YT(i,j)=Gi,j×VT(i,j)+Oi,j

(9)

2.2 隨環(huán)境溫度實時更新的兩點校正

在實際成像時，探測器像元的響應輸出V(i,j)會隨著環(huán)境溫度和機芯電路的發(fā)熱而發(fā)生漂移，由式(8)得出的偏移校正系數(shù)將會不適用，對此，本文提出了實時更新的偏移校正量來代替式(8)的Oi,j，實時更新的像元校正公式：

YT(i,j)′=Gi,j×(VT(i,j)-Bi,j)

(10)

式中，Gi,j的表達式同式(7);Bi,j是環(huán)境溫度下的像元擋片輸出，擋片一般用均勻的黑色材質(zhì)制成，可自動在IRFPA感應窗前移動；VT(i,j)為黑體溫度為T時第(i,j)個像元的電壓輸出。

對比公式(9)，公式(10)用擋片校正輸出Bi,j替代偏移校正系數(shù)Oi,j，Bi,j可通過成像系統(tǒng)指令實時更新，減少了因焦平面陣列輸出漂移導致的偏移校正誤差。

以上的討論都是基于目標溫度可以精確反映探測器的輻照度的假設(shè)，然而事實上，目標的紅外輻射率與其溫度的關(guān)系式為[8]：

(11)

式中，L為輻射率(Radiance)，即單位面積單位立體角發(fā)射的功率;λ1，λ2為起止波長;Tt為目標溫度;εt為目標發(fā)射率。

在一定的輻射率范圍內(nèi)，可認為像元電壓輸出與目標輻射率成線性關(guān)系，公式(12)給出了定標溫度和像元輸出電壓的比例關(guān)系：

VTt(i,j)∝L(Tt)∝Tt2

(12)

圖1是當目標紅外波長為8～14μm時，像元輸出電壓與溫度的變化曲線，可以看到在目標溫度在220～360K范圍變化時，像元電壓輸出已呈非線性趨勢。

圖1 焦平面像元輸出隨目標溫度變化曲線

因此，無論是采用以上哪種校正方法，都無法完全抵消掉像元的非線性部分。而未抵消的部分才是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.3 固定圖形噪聲FPN

不同紅外成像系統(tǒng)其噪聲差異很大，而同一紅外成像系統(tǒng)其各個噪聲分量有不同的變現(xiàn)方式[9]。探測器的輸出非線性是導致校正殘留的根本原因，這種非線性殘留最終以成像畫面噪聲的形式出現(xiàn)。這種噪聲按照在像元間分布情況可分為空域噪聲和時域噪聲[8]；其中空域噪聲在畫面上保持固定位置不變，通常又將這種噪聲稱為固定圖形噪聲(FixedPatternNoise,FPN)。時域噪聲又稱為隨機噪聲，隨著時間的推移畫面噪聲位置坐標會發(fā)生變化。其中FPN噪聲對圖像質(zhì)量的影響遠大于隨機噪聲對圖像的影響，所以定量研究FPN可以準確地評估成像質(zhì)量。

對于校正后的焦平面輸出，可以通過時域濾波的思想分離出空域噪聲和時域噪聲，通過濾波后的成像畫面上的噪聲將是固定或漸變的，可認為這就是我們要研究的FPN。

對濾波后的焦平面輸出電壓再做1級小波變換，可以分離出陣列電壓的高頻分量和低頻分量，如圖2所示。由圖2可以看到，低頻分量的差異是整個畫面明暗感的變化，不影響整個畫面的分辨率。而高頻分量的大小直接影響到探測器的分辨率，噪聲越大，目標中的更多細節(jié)將會‘淹沒’在噪聲中，導致探測器分辨率下降。從機理上分析，低頻成分主要是由鏡頭成像時的鍋蓋效應引起，高頻分量則是像元非均勻校正殘留。

圖2 小波變換前后三維圖

3 FPN的測量和數(shù)據(jù)處理

采用感應像元為Vox的Uncooled-IRFPA，目標選用5～75℃的8個黑體溫度，采集每個溫度點的若干幀Vo，選用Vo_35和Vo_45(35℃和45℃黑體溫度下的Vo輸出)作為高、低溫定標電壓，根據(jù)式(7)計算出增益校正矩陣G3545，并采用30℃時的Vo做偏壓校正矩陣B,根據(jù)公式(10)計算出每個黑體溫度點下的校正矩陣Yi,j′，再通過時域濾波和小波變換分離出每個Yi,j′的Yi,j′_H(高頻分量)和Yi,j′_L(低頻分量)，分別對應高頻FPN和低頻FPN，最后根據(jù)式(13)計算每個溫度點下的高頻FPN值：

FPN=STD(Yi,j′_H)

(13)

4 增益校正矩陣的準確性

因像元隨溫度變化的非線性，所以不同定標溫度得出的增益校正矩陣不同，在相同條件下，如何選取定標溫度TH和TL，使得校正后的焦平面陣列空間噪聲最?。?/p>

根據(jù)3中的實驗數(shù)據(jù)，按照高低溫溫差大小做溫度定標，則TH-TL依次為：5～75 ℃、15～65 ℃、25～55 ℃和35～45 ℃，選用四組高低溫組合對應的VL-VH輸出，并根據(jù)公式(7)計算每組定標溫度下對應的增益校正矩陣G575、G1565、G2555和G3545。并通過公式(13)計算不同增益矩陣對應各個溫度點下的FPN值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 四個增益矩陣對應的FPN隨溫度變化曲線

圖3可以看到，校正時選用30℃下的Vo輸出做O矩陣(offset校正)，且FPN隨著|Vo-O|的增大而增大。對比四個增益校正矩陣的FPN曲線可以得出結(jié)論：選用定標溫度高、低溫溫差越大，求得的空間噪聲在整個目標溫度范圍內(nèi)的空間噪聲越小。

圖4是目標為75℃黑體，G3545、G2555、G1565和G575做增益校正矩陣時對應的成像畫面，對比4副圖發(fā)現(xiàn)，G575對應的成像畫面質(zhì)量最好，G3545對應的成像畫面質(zhì)量最差。結(jié)合圖3和圖4可知，F(xiàn)PN的大小能夠準確反應成像畫面質(zhì)量。

圖4 75℃黑體下不同增益矩陣對應成像畫面

5 結(jié) 論

針對GB/T17444-2013中的IRFPA的FPN定義只是針對探測器本身，不能準確衡量成像系統(tǒng)成像質(zhì)量問題。探測器在成像前都要經(jīng)過非均勻性校正，文中基于實時成像常用的兩點校正算法思路，提出了隨環(huán)境溫度實時更新的兩點校正公式，并指出像元的輸出非線性是導致非均勻性校正殘留的主要原因。參考時域濾波思路分離出成像畫面的固定圖形噪聲(FPN)，并指出通過小波變換分離出FPN的高頻分量才是影響成像分辨率的主要因素。

給出了FPN的測試和計算方法。討論了如何選擇定標溫度點來計算增益校正系數(shù)G使得校正后的畫面在目標溫度為5～75 ℃范圍內(nèi)的空間噪聲曲線最優(yōu)，最后通過對比不同定標溫度下的4個增益校正陣列在各個溫度點下的FPN曲線，并結(jié)合同一參考目標的成像畫面，證明了公式(13)中高頻FPN值能夠準確反映成像畫面質(zhì)量。

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Research on Fixed Pattern Noise for uncooled-IRFPA detector

LEI Shu-yu1,TAO Yu2,YANG Ni1,FANG Hui1,TAN Guo1

(1.North GuangWei Technology Inc.,Beijing 100089,China;2.Unit 63961,PLA,Beijing 100012,China)

As the definition of fixed pattern noise (FPN) in the national standard GB/T17444-2013 can′t evaluate imaging quality of infrared image,it is proposed that the residue after non-uniformity correction (NUC) is the main factor for the imaging quality. A novel NUC method which adapts with the ambient temperature was introduced and compared with the typical two-point correction. The FPN were separated through the temporal filtering and wavelet transform of the signal voltage after the correction. The measurement and calculating method of FPN were given. An experiment was carried out to determine how to select the calibration temperature to minimize the FPN in a specified temperature range. Then four images obtained from 4 different gain correction coefficients matrix of the same target were compared. The comparison results prove the consistency between the image quality and the FPN curves,which verifies that the new definition of FPN can accurately evaluate the imaging quality.

IRFPA；the spatial noise；FPN；two-point correction

1001-5078(2015)01-0058-05

雷述宇(1972-)，男，博士，主要從事氧化釩非制冷紅外焦平面讀出電路，MEMS仿真與設(shè)計工作。E-mail：shuyu.lei@gwic.com.cn

2014-08-02

TN 248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.01.013