一種新型的非制冷紅外機芯組件圖像校正算法研究

李繼泉，時勤功，陳 靜，謝國兵，譚祖安，蔡燕平

（1.湖南華南光電（集團）有限責任公司，湖南 常德415000；2.西安應用光學研究所，西安710065）

1 引 言

紅外焦平面陣列成像技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，在一些發(fā)達國家已達到相當高的水平。在國內(nèi)，紅外成像相關的應用也已經(jīng)趨于成熟，在諸多領域發(fā)揮著不可替代的作用。但非均勻性校正作為紅外焦平面成像的關鍵技術(shù)之一，仍然不能達到令人滿意的效果[1]。非均勻性難以解決的問題，極大限制了成像系統(tǒng)的成像效果，特別在低對比度的紅外成像中，對成像質(zhì)量的影響更為嚴重，使獲取的圖像信號模糊，無法很好凸顯信號特征，對細節(jié)的清晰度和圖像整體觀感影響極大[2]。因此，針對非均勻性的多種來源，提出一種切實可行且行之有效的新型非均勻性校正方法有著重大的實際意義。

2 傳統(tǒng)非均勻性校正方法

非均勻性指的是紅外焦平面陣列在接收相同輻射量時，各個單元的輸出不一致，在圖像上會表現(xiàn)為相對固定的空間噪聲[3]。假設焦平面陣列每個陣列元的響應為線性模型，則理想焦平面陣列的輸出跟接收輻射量的關系可以表示為：

其中X 為焦平面陣列接收輻射量矩陣，Y 為理想焦平面陣列輸出矩陣，A 為增益校正系數(shù)矩陣，B為偏移校正系數(shù)矩陣[4]。A 與探測器本身有關，相對穩(wěn)定。B 可以看作是時間t 的一個函數(shù)B(t)。

傳統(tǒng)的非均勻性校正方法中效果比較好的通常是利用兩點定標計算出增益系數(shù)A，在通過即時擋板數(shù)據(jù)對偏移系數(shù)B 進行補償[5]，具體做法為：

首先，在短時間內(nèi)采集高溫黑體原始數(shù)據(jù)XH和低溫黑體原始數(shù)據(jù)XL。高溫黑體和低溫黑體的理想輸出應為YH和YL，則：

根據(jù)(2)式和(3)式可以求得：

然后，將采集的目標數(shù)據(jù)記為XIN，最近一次擋板打下時的數(shù)據(jù)記為XD，理想的目標輸出數(shù)據(jù)應為YOUT，擋板時的理想輸出為YD，則：

根據(jù)(5)式和(6)式可以求得：

此種校正方式可以很好地解決B 在時域上不均勻的問題，但并沒有考慮系統(tǒng)中的增益系數(shù)A 由于非理想因素導致的不均勻，也就是同一個A 是否同時適用于XIN和XD[6]。因此，往往在擋片打開之后圖像會呈現(xiàn)一層蒙紗感。針對蒙紗感現(xiàn)象，在此根據(jù)非均勻性校正系統(tǒng)[7]，對其中的誤差因素進行分析。校正系統(tǒng)如圖1。

圖1 校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

假設機芯和探測器的溫度不變。對于探測器焦平面來說，其輻射源包含幾個方面：目標黑體、鏡頭壁、擋板、擋板內(nèi)外殼、擋板外外殼和探測器管殼[8]。分析如下：

1）在擋板打下期間：輻射源包含了擋片、擋片內(nèi)外殼和探測器管殼。XD的值包含了上述三個方面的輻射。

2）在擋板打開期間：輻射源包含了目標黑體、鏡頭壁、擋板內(nèi)外殼、擋板外外殼和探測器管殼。XIN的值包含了上述五個方面的輻射。

3）XIN和XD包含了：目標黑體、鏡頭壁、擋片外外殼和擋片。其中，鏡頭壁和擋片外外殼都屬于非理想效應的來源[9]。

綜上，可見式(7)的應用有一個假設前提，就是計算出來的校正系數(shù)A 和B 對目標矩陣和擋片矩陣都是適用的。但是從對上述三點的分析來看，目標矩陣包括擋片矩陣鏡頭壁和擋片外外殼，另外就鏡頭的F 數(shù)一般等于1 來說，不帶鏡頭的情況下，F(xiàn) 數(shù)會小很多[10]。所以嚴格意義上來講，通過帶鏡頭采集的校正系數(shù)A 和B 并不適合擋片矩陣，而適合目標矩陣?？梢缘贸鯝 并不能同時適用于XIN和XD，這也是產(chǎn)生蒙紗感的原因。所以這種傳統(tǒng)的非均勻性校正方法雖然有一定效果，但并不能完全解決非均勻性的問題[11]。

3 新型非均勻性校正方法

由于從嚴格意義上來講目標矩陣和擋片矩陣的A 和B 無法共用，這就需要針對目標矩陣和擋片矩陣分別計算A 和B?；谶M入探測器的輻射源，在此提出一種利用有無鏡頭情況下分別計算A 和B的新方法，具體做法為：對目標矩陣采用帶鏡頭的方式采集高低溫黑體數(shù)據(jù)，計算出A1和B1。對擋板矩陣采用不帶鏡頭只帶擋板的方式采集高低溫數(shù)據(jù)。計算出A2和B2。

首先帶鏡頭采集高低溫黑體目標的時候把輸入信號XH/XL分成兩部分XHM/XLM和X1。其中XHM是帶鏡頭情況下僅高溫目標黑體的輻射輸入，XLM是帶鏡頭情況下僅低溫目標黑體的輻射輸入，X1是機芯溫度穩(wěn)定情況下包含了鏡頭壁、擋片內(nèi)外殼、擋片外外殼和探測器管殼的輻射輸入。公式如下：

其中，YHM/YLM是目標黑體校正后的陣列，L 是X1校正后的陣列；(YHM+L)和(YLM+L)為整體校正后的陣列，皆為均勻陣列，即陣列中所有數(shù)字一致[12]。

根據(jù)式(8)和式(9)可以得出校正數(shù)據(jù)矩陣A1和B1，公式如下：

正常目標輻射進入機芯后，其用A1、B1校正后的公式如下：

其中YM是目標校正后的輸出陣列。

同理，不帶鏡頭采集高低溫目標的時候把輸入信號XH/XL分成兩部分XHW/XLW和X2，其中XHW是不帶鏡頭情況下僅高溫目標黑體的輻射輸入，XLW是不帶鏡頭情況下僅低溫目標黑體的輻射輸入，X2是包含了擋片內(nèi)外殼和探測器管殼的輸出。公式為：

其中YHW/YLW是不帶鏡頭目標黑體校正后的陣列，L1是X2校正后的陣列，(YHW+L1)和(YLW+L1)為整體校正后的陣列，這兩個陣列皆為均勻陣列，即陣列中所有數(shù)字一致。

根據(jù)式(13)和式(14)可以得出校正數(shù)據(jù)矩陣A2和B2，公式為：

擋板信號進入機芯后，其用A2、B2校正后的公式如下：

其中D 是擋板的輻射輸入，YD是擋板D 校正后的輸出陣列。

通過式(12)和式(17)相減可以得到：

結(jié)合式(11)、(16)和(18)可得：

其中(YHM+L-YHW-L1)、(A1XHM-A2XHW)是兩個均勻陣列，可以忽略不計[13]。

可以看出校正后的輸出陣列Y 僅和A1、A2、XM、D、XHM、XHW相關，這幾個參數(shù)可以通過帶和不帶鏡頭采集高低溫數(shù)據(jù)直接得到或者計算得到，與非理想效應中的鏡頭壁、擋片內(nèi)外殼、擋片外外殼和探測器管殼的輸出均無關。從而可知，Y 也是一個均勻矩陣，可用以減少蒙紗感。

上述方案可以通過采集數(shù)據(jù)進行驗證。

4 效果對比

為驗證新型方法而設計的機芯實物圖如圖2。

圖2 紅外探測機芯實物圖

數(shù)據(jù)采集在機芯上電1 小時后進行，通過機芯的溫度傳感器可以得知此時機芯溫度已經(jīng)基本穩(wěn)定。根據(jù)所提新型方案，對有無鏡頭條件下分別采集高溫黑體（60℃）和低溫黑體（10℃）數(shù)據(jù)，按傳統(tǒng)校正方法和所提新校正方法分別進行校正成像，成像效果對比如圖3、圖4。

圖3 均勻目標成像效果對比

圖4 正常目標成像效果對比

可見，無論是在均勻目標還是正常目標的條件下，新的校正方法都可以有效減弱圖像的蒙砂感（在均勻目標下效果尤為明顯），大大提高成像質(zhì)量。

5 結(jié) 束 語

在分析了傳統(tǒng)紅外非均勻性校正方法的原理和不足的基礎上，提出了一種針對校正系統(tǒng)中非理想因素的新型校正方法。試驗結(jié)果表明，所提方法能有效去除一部分傳統(tǒng)校正方法無法去除的非均勻性，有效減弱圖像蒙紗感，提高成像質(zhì)量。因其操作方法簡單易行，此新型校正方法對紅外成像領域有著很高的應用價值。