!引言
红外焦平面阵列(IRFPA)是现代红外成像系统的核心器件9与上一代红外成像系统相比9红外焦平面阵列以凝视方式工作9不需要运动的光学元件对景物进行一维或二维光机扫描0因此具有结构简单\工作稳定\灵敏度高\噪声等效温差小等优点0然而由于制造材料\工艺以及工作环境等方面的原因9红外焦平
面阵列普遍存在非均匀性问题0非均匀性表现为在相同的辐射通量照射下9IRFPA 各探测单元输出响应不同9又称为空间噪声[1]0
非均匀性校正技术已经成为绝大多数红外焦平面成像仪所必须的关键技术之一0目前9非均匀校正技术主要分为基于红外参考源的校正 基于场景的实时校正参数漂移技术[293]0校正方法主要有两点校正法\多点校正法\恒定统计平均法\时域高通滤波法和
一种改进的红外焦平面非均匀多点校正方法
黄星明1余国文1王宏远
(华中科技大学电子与信息工程系1湖北武汉430074)
摘要I 红外焦平面阵列普遍存在非均匀性问题1国内外已经提出众多解决该问题的方法1其中最有价值的
是两点非均匀校正法O 在分析两点校正法的基础上1结合红外焦平面阵列非均匀模型1提出一种改进的多点非均匀性校正算法并给出其实现方法O 该方法动态范围大1能有效克服由红外焦平面探测单元的非线性响应特性带来的均匀性影响1并且具有校正精度高\处理速度快和易于实时处理等优点O 工程中已经证明该方法的有效性O 最后给出了工程结果O
关键词I 红外焦平面Z 非均匀性Z
多点校正
中图分类号I TN215
文献标识码I A
文章编号I 1007-2276(2005)0l-0062-04
Imaging multi !point nonuniformity correction method for IRFPA
HUANG Xing !ming 9YU Guo !wen 9WANG Hong !yuan
(Electronics &Information Engineering Department,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract I Nonuniformity exists in all IRFPA.Lots of nonuniformity correction methods have been de !veloped to solve the problem.One of the most valuable methods is two !point correction algorithm.Bad on the analysis of two !point correction algorithm,an improved multi !point algorithm is put forward and its implementation is also discusd.This algorithm has large dynamic range to effectively overcome nonuniformity brought by nonlinear characteristic of IRFPA detector units.And it has the advantages of high precision,fast processing speed,and easy to realize in real time.Its effectiveness is demonstrated in engineering.The experimental results are given in the end.
Key words I IRFPA Z
Nonuniformity Z
Multi !point correction
收稿日期 2004-02-01
修订日期 2004-03-18
作者简介 黄星明 1978- 9男9湖北武汉人9硕士生9研究方向为数字视频及红外成像技术0
第34卷第1期
红外与激光工程
2005年2月Vol.34No.1
Infrared and Lar Engineering Feb.2005
人工神经网络法等O其中应用最广泛的方法是两点校正算法O该算法具有简单\易实现的特点a但存在校正精度低\动态范围小等缺点O本文提出一种改进的多点非均匀性校正方法a可以有效地克服两点校正法的缺陷O
!红外焦平面阵列的响应模型"#$
在假设红外探测器为线性响应的情况下a IRFPA 中第(i a j)个探测单元的响应可以表示为I
x ij(!)=K ij!+G ij(1)式中!为探测单元的辐照度G K ij为探测单元响应特性的增益系数或特性曲线的斜率G G ij为暗电流形成的偏移量或特性曲线的截距O红外焦平面阵列的非均匀性是由于各探测单元的K ij和G ij不同所造成的a如图1(a)所示O而实际上a红外焦平面阵列的各探测单元响应特性呈非线性a其响应特性曲线如图1(b)所示O图中a曲线a\b\c分别代表三个不同探测单元的响应特性曲线O在相同辐照度!1时a探测单元输出响应不同a因此造成红外焦平面的非均匀特性O
(a)线性响应模型(b)非线性响应模型
(a)Linear model(b)Nonlinear model
图1红外焦平面探测单元的响应模型
Fig.1Respon model of IRFPA detector unit
%非均匀性两点和多点校正算法
两点校正法是最早展开研究和应用最为广泛的一种校正方法O如果焦平面阵列各单元的响应特性在一
定范围内呈线性变化a且时间上是稳定的a则焦平面各探测单元的响应特性可以用公式(1)表示O非均匀性是由每个探测单元的K和G之间的差异造成的a因此可以采用下式加以校正[5!7]I
y ij(!)=G ij x ij(!)+0ij(2)式中G ij和0ij分别为校正增益和校正偏移;y ij为校正后的输出O通过公式(2)a可以对由公式(1)建立的IRFPA响应模型进行非均匀性校正O
根据场景的变化范围a在光路中插入一均匀辐射的黑体a通过各探测单元对高温T H和低温T L下的均匀辐射黑体的响应计算出G ij和0ij a从而实现非均匀性校正O将所有探测单元在高温T H和低温T
L
下的响
应规格化为V
T
饭店转让合同
和V
T
I
V
T
=G
ij
x
ij
(!T)+0
ij
(3)
V
T
=G
ij
x
ij
(!T)+0
ij
(4)
校正增益和校正偏移量则可以用下式计算I
G
ij
=
V
T
-V
T
x
ij
(!T)-x
ij
(!T)
(5)
ij
=
V
T
x
ij
(!T)-V T x
ij
(!T)
x
ij
(!T)-x
ij
(!T)
(6)
响应规格化取值可以使用焦平面阵列响应的平
均值O分别对高温T
H
下响应x
ij
(!T)和低温T
L
下的
响应x
ij
(!T)求平均a得I
X!
T
=i
"
j
"x ij(!T)
i!j
(7)
X!
T
=i
"
j
怎样取名字"x ij(!T)
i!j
(8)令I
V
T
=X!T a V
T
=X!T()
用公式(5)\(6)\()校正a即以点(x
ij
(!T)a X!T)
与点(x
ij
(!T)a X!T)确定的直线作为(i a j)探测单元的
校正曲线O
由以上可知a两点校正算法对输出响应的偏差和
增益系数都进行了校正a因此a具有较高的精度O尤其
是在IRFPA响应特性接近线性时a两点校正法是最优的校正算法之一O然而两点校正法是基于探测单元在工作范围内响应呈线性这个假设a实际上探测单元响应为非线性a如图1(b)所示O当工作范围发生变化时a探测单元响应特性的非线性变得突出a校正曲线与实际响应曲线差别增大a如图2(a)所示O此时两点
第1期黄星明等!一种改进的红外焦平面非均匀多点校正方法63
校正算法基于的响应模型不再成立，两点校正法的精度显著下降O
多点校正算法是两点校正算法的扩展O一般认为探测单元响应特性曲线呈S形状O多点校正法将探测单元的响应特性曲线合理分成若干段，每段分别使用两点校正算法，如图2O b0所示0图中用线段l~2~3表示该探测单元的响应曲线，和图20a0相比，用折线段可以更加逼近实际探测单元响应特性曲线，且分段越多，其校正误差越小O
多点校正算法在实现时，可以较好地解决两点校正算法动态范围小的缺点，然而却增加了系统负担O本文提出一种改进多点校正算法，并在此基础上给出实现方法O
0a0两点校正法0b0多点校正法
0a0two!point correction0b0multi!point correction
图2校正曲线
fig.2Correction curve
!改进的多点校正法及实现
传统的两点或者多点校正算法实现时，都需要预
先计算各探测单元的校正增益G
ij 和校正偏移O
ij
，然
六年级语文古诗后把G
ij 和O
ij
存储到相应的存储单元O实际运算时将
会把G
最大的手打一成语ij 和O
ij
放到RAm中进行高速运算O
然而，大多数情况下红外成像仪工作环境温度相差不会太大，即工作时焦平面探测单元具有较好的线性O如果可以实时计算当前工作环境两点校正法中的校正参数，就可以取得很好的校正效果O基于这种考虑，采用以下两点校正公式:
y ij 0"0=x ij0"0-B ij
!"!K
ij
0lO0
式中K
ij 和B
ij
分别为校正增益和校正偏移;y
ij
为校
正后的输出0
设探测单元在高温T H下的响应x
ij
0"T0和低温
T L下的响应x
ij 0"T0为:
##=i
$
j
$x ij0"T0-x ij0"T0
i!j
0ll0
则
K
ij
=#
#
接洽为盼x边疆建设
ij
0"T0-x
ij
0"T0
0l20
B
ij
为低温T
L
~辐照度均匀情况下，红外焦平面的惠州温泉
多场平均响应x
ij
0"T00
根据公式0lO0!0l20实现非均匀性校正过程如图
3所示0
0l0根据成像仪将要工作的温度范围，将响应特
性曲线划分为几段，划分温度为T
l
~T
2
~T
3
~T
4
等，取其
探测单元的响应x
ij
0"T0~x
ij
0"T0~x
ij
0"T0~x
ij
0"T0
图3改进校正法示意图
fig.3Improved multi!point correction method
作为校正参数存入系统存储单元内0为了减小误差,
可以采取多幅图像平均的方法作为该校正参数0
020成像仪工作前，首先需要进行非均匀性校正
预处理0采集N幅均匀辐照度的图像，假设辐射温度
为T$，计算每个探测单元的平均响应值:
x
ij
0"T0=n
$x ij0"T0
n
n
0l30
将x
ij
0"T0作为另一组校正参数存放在内存中0
030分别把T
l
~T
2
~T
3
~T
4
与T$比较0实际是比较
红外焦平面在T梦想有哪些
l
~T
2
~T
3
~T
4
和T$的平均响应0，取T
%
0%=l~2~3~40，使T%-T$最小，由T
%
与T$组成高温
T H和低温T
L
040利用预先存储的一组数据和步骤020中获
得的一组数据计算增益K
ij
和偏移B
ij
050利用公式0lO0进行实时校正0
图30b0中在"
T
和"
T
之间插入一个"
T
0根据步
64红外与激光工程第34卷
骤 3>选取!!作为低温!L ,!2作为高温!H ，在温度!!和!2之间进行两点校正O !!温度下红外焦平面阵列的响应" "!>在成像仪工作预处理时获取O !2温度下
红外焦平面阵列的响应" "!>则预存在相应存储单
元中O 和图2 b >比较，图3 b >所示折线段可以更加逼近探测单元响应特性曲线，因此可以达到更高的精度O 图2 b >需要预存六组校正参数才能满足三段校正，而图3 b >只需预存四组数据就可以满足六段校正的精度O
上述校正算法，需要在成像仪工作前获取当前工作环境中IRFPA 对均匀辐照度的响应，增加了操作的复杂性O 然而却可以在不同环境中获得十分逼近
IRFPA 响应特性曲线的校正系数，显著提高校正效果O 图4为采用改进的多点非均匀校正法校正前后的红外图像对比O
(a)校正前图像
(b)校正后图像
a >Image before nonuniformity
b >Image after nonuniformity
correction correction
图4改进的多点校正法校正前后的图像
Fig.4IR images before and after nonuniformity correction
using improved multi #point correction method
!结论
非均匀性校正是红外焦平面成像仪关键技术之
一O 本文提出了一种改进的多点校正算法以及其实现方法O 该算法及实现方法具有下列特点:
1>校正精度高，动态范围大，显著提高了IRF !
PA 的均匀性O
2>算法简单，在线运算量小，易于工程实现O 本文提出方法的优点已经在红外成像仪工程中得到充分验证，其优点远远超过该方法操作复杂性带来的缺点O 目前，国内外专家和工程师们的重心依然是完善和改进两点校正法O 任何行之有效的两点校正法都可以使用本文的方法实现，并能增强校正效果O
参考文献:
[1]Mooney J M ,Shepherd F D.Characterizing IRFPA nonuniformi #
ty and IR camera spatial noi[J].Infrared Physics and Technol #ogy ,1996,37:595-605.
[2]Harris John G ,Chiang Yu #Ming.Nonuniformity correction of in #
frared image guences using the constant #statistics constraint[J].IEEE Transactions On Image Processing ,1999,8 8>:1148-1151.[3]付小宁，殷世民，刘上乾.基于系统非线性的红外焦平面非均匀
性校正[J].光子学报,2002,31 10>:1277-1280.
[4]殷世民，刘上乾.基于低次插值的红外焦平面器件非均匀性多
点校正算法[J].光子学报,2002,31 6>:715-718.
[5]胡晓梅.红外焦平面探测器的非均匀性与校正方法研究[J].红
外与激光工程,1999,28 3>:9-12.
[6]陈锐，谈新权.红外图像非均匀性校正方法综述[J].红外技术,
2002,24 1>:1-3.
[7]陈宝国，郑志伟，黄士科，等.利用FPGA 实现红外焦平面的非
均匀性校正[J].红外与激光工程,2000,29 4>:9-12.
第1期黄星明等!一种改进的红外焦平面非均匀多点校正方法65
!熵与信息光学"简介
<；熵与信息光学>由美籍华人杨振寰教授著~哈尔滨工业大学陈历学教授~宋瑛林教授等人翻译~<；红外与激
光工程>编辑部编辑~天津科学技术出版社出版O 内容包括：信息传输导论；衍射与信号分析；光学空间信道与编码原理；熵与信息；伏魔师与熵耗费；观测和信息；像恢复与信息；信息传播的量子效应；光学相干理论；光学小波变换；光学模式识别；光学计算和纤维光学通信O
全书共计20余万字,314页，定价46元O 有需求者请与<；红外与激光工程>编辑部联系，电话: 022>23009840O
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