非均勻校正算法在雷達(dá)紅外引導(dǎo)儀上應(yīng)用?

張志敏

（中國人民解放軍92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 引言

在靶場試驗(yàn)中，紅外引導(dǎo)儀能用來對快速捕獲目標(biāo)，可以引導(dǎo)雷達(dá)波束快速完成對目標(biāo)的捕獲。由于受熱像儀器件的半導(dǎo)體材料、制造工藝以及外界溫度等因素的影響［9］，紅外圖像的非均勻性的會對成像效果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使得紅外的圖像模糊不清。紅外圖像的非均勻是指在外界均勻光場輸入時各單元之間響應(yīng)輸出的不一致性［3］，在圖像上表現(xiàn)為空間固有模式噪音或固定圖案噪聲，數(shù)學(xué)上可采用各像素灰度值與圖像所有像素的平均灰度值之比作為熱像儀非均勻性的度量。

紅外圖像非均勻校正算法很多，目前探測器非均勻性校正方法主要有二點(diǎn)溫度定標(biāo)法、多點(diǎn)溫度定標(biāo)法、時域高通濾波法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）等［4～6］。基于場景的校正方法對當(dāng)前圖像進(jìn)行校正時需要用到先前的圖像統(tǒng)計信息，計算量復(fù)雜，容易產(chǎn)生鬼影［11］。因此，在雷達(dá)紅外引導(dǎo)儀上非均勻校正選用定標(biāo)法中的二點(diǎn)定標(biāo)校正法。

2 非均勻性校正方法

2.1 二點(diǎn)定標(biāo)校正法

假設(shè)各陣列元的響應(yīng)特性在所感興趣的溫度范圍內(nèi)是線性的，在時間上是穩(wěn)定的，并假定1∕f噪聲的影響較小，則非均勻性引入的噪聲為固定模式的乘性和加性噪聲［7～8］。在此條件下焦平面陣列元在均勻輻射背景條件下的輸出為

式中：?為輻射通量；uij和vij為坐標(biāo)為（i，j)陣列元的增益和偏置量。對于每一個陣列元來說，uij和vij的值都是固定的，并且不隨時間變化。因此采用二點(diǎn)定標(biāo)校正即可實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列圖像的非均勻性校正［1］。即：

式中：Gij和Oij為二點(diǎn)定標(biāo)校正法的增益校正系數(shù)和偏置校正系數(shù)；yij為校正后的輸出。

圖1 二點(diǎn)定標(biāo)校正法示意圖

二點(diǎn)定標(biāo)校正法是利用焦平面各陣列元在溫度不同的兩個黑體（高溫TH和低溫TL）的均勻輻射下的響應(yīng)輸出，求得Gij和Oij，從而實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。圖1中給出了二點(diǎn)定標(biāo)校正法的示意圖。圖（a）和（b）分別為高溫和低溫輻射的響應(yīng)輸出，圖（c）為校正后的輸出。S光敏輸出元輸出信號，A為增益，B偏置量。

2.2 二點(diǎn)定標(biāo)校正實(shí)現(xiàn)方法

二點(diǎn)定標(biāo)校正法的具體實(shí)現(xiàn)方法是：將所有陣列元在高溫TH和低溫TL下均勻黑體輻射的響應(yīng)分別歸一化為VH和VL，即

（TH，VH）和（TL，VL）兩點(diǎn)所確定的直線就是我們擬定的標(biāo)準(zhǔn)直線。其中xij（fH）和xij（fL）分別為像元（i，j）在高溫TH和低溫TL均勻輻射背景下的響應(yīng)。

增益校正系數(shù)和偏置校正系數(shù)即可通過下式計算出來

將各陣列元的增益校正系數(shù)Gij和偏置校正系數(shù)Oij預(yù)先存儲起來，在探測過程中以此校正系數(shù)對探測器的響應(yīng)值按式（6）不斷進(jìn)行校正。

當(dāng)用于地面或近地的紅外探測，由于地面或近地環(huán)境溫度通常都處于300K左右［8］，采用二點(diǎn)定標(biāo)校正方法也可獲得較好的校正效果。

3 紅外成像非均勻校正算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計了兩種工作模式來完成紅外圖像非均勻性校正和顯示，各狀態(tài)的工作內(nèi)容如表1所示。

在顯示工作模式，系統(tǒng)上電復(fù)位后DSP對系數(shù)存儲器初始化（S態(tài)），將實(shí)驗(yàn)室兩點(diǎn)標(biāo)定過的校正系數(shù)（存儲在FLASH中）根據(jù)實(shí)際情況（當(dāng)前積分時間選擇及校正動態(tài)范圍需求），調(diào)入片上高速RAM中待用。其后DSP發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)指令，使系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入顯示工作模式（S0∕M0）。這一狀態(tài)下，系統(tǒng)將系數(shù)存儲器控制權(quán)交給FPGA［2］，由FPGA采用流水線方式在讀出探測器像元信息的同時讀出校正系數(shù)，并完成各像元的實(shí)時校正（乘加算法）過程，校正后的數(shù)據(jù)寫入幀存。幀存控制采用乒乓方式：校正后的圖像數(shù)據(jù)寫入幀存A的同時，幀存B按照標(biāo)準(zhǔn)PAL制時序讀出前一幀的圖像數(shù)據(jù)，送至顯示電路進(jìn)行高質(zhì)量顯示。

非均勻校正系數(shù)的標(biāo)定通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用高精度面源黑體進(jìn)行，在-10℃～50℃之間每間隔5℃對不同積分時間進(jìn)行非均勻參數(shù)校正，并裝訂在像機(jī)內(nèi)［10］。為保證探測背景環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計的靶場紅外引導(dǎo)儀成像器配置了一個兩點(diǎn)面源黑體，黑體低溫溫度低于環(huán)境溫度10℃以上［12］，解決了夏季環(huán)境溫度與背景紅外輻射溫度差異較大而造成的非均勻校正較差的問題，保證了紅外成像系統(tǒng)的探測靈敏度。

表1 工作模式控制狀態(tài)機(jī)中各態(tài)含義

4 驗(yàn)證結(jié)果

紅外成像采用非均勻校正算法實(shí)現(xiàn)，通過DSP和FPGA的設(shè)計，使得系統(tǒng)既可以完成校正系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，也可針對實(shí)際使用情況選擇適當(dāng)?shù)男Ｕ惴ㄒ垣@得最佳的成像質(zhì)量。圖2列出了系統(tǒng)在一些實(shí)際場景下拍攝的校正前后的紅外比對圖像，從中可以看出本系統(tǒng)校正算法的實(shí)現(xiàn)效果。

圖2 系統(tǒng)在實(shí)際場景下拍攝的校正前后的紅外比對圖像

5 結(jié)語

雷達(dá)紅外引導(dǎo)儀采用二點(diǎn)定標(biāo)校正法，結(jié)合所選紅外熱像儀，為保證探測背景環(huán)境適應(yīng)性，解決了夏季環(huán)境溫度與背景紅外輻射溫度差異較大而造成的非均勻校正較差的問題，保證了紅外成像系統(tǒng)的探測靈敏度。雷達(dá)紅外引導(dǎo)儀的成功研制，較好地解決了雷達(dá)在近距離快速目標(biāo)時捕獲目標(biāo)難題。該系統(tǒng)自投入使用以來，參加并圓滿完成了多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)。