非制冷红外焦平面探测器固定图形噪声研究

非制冷红外焦平面探测器固定图形噪声研究

雷述宇;陶禹;杨妮;方辉;谭果

【摘要】As the definition of fixed pattern noise (FPN)in the national standard GB/T1 7444 -201 3 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.%针对国标 GB ／T17444－2013中对红外焦平面阵列（Infrared Focal Arrays，IRFPA）固定图形噪声定义不能直接反映成像画面质量的问题，指出 IRFPA 在实

际成像时要先经过非均匀性校正，校正残留才是影响成像质量的主要因素。本文先介绍了典型的两点校正方法，基于典型两点校正提出随环境温度实时更新的两点校正公式。通过对校正后的探测器输出通过时域滤波和小波变换分离出了固定图形噪声（FPN），给出了 FPN 的测试和计算方法。讨论了如何选择定标温度点来计算增益校正系数使得 FPN 值在指定的温度范围最小。通过对比4个增益校正阵列各

个温度点下的 FPN 曲线，并结合同一参考目标的成像画面，验证了本文提出的FPN 值能够准确反应成像画面质量。

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2015(000)001

【总页数】5页(P58-62)

【关键词】IRFPA;空间噪声;FPN;两点校正

【作者】雷述宇;陶禹;杨妮;方辉;谭果

【作者单位】北方广微科技有限公司，北京 100089;263961 部队，北京 100012;北方广微科技有限公司，北京 100089;北方广微科技有限公司，北京 100089;北方广微科技有限公司，北京 100089

【正文语种】中文

【中图分类】TN248.1

非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Arrays，Uncooled-IRFPA)探测器作为第三代低成本红外探测器[1]，它的出现进一步拓宽了红外传感器的应用领域，从最初的军事应用逐渐扩展到了包括工业测控、医疗检测、防火防灾等在内的更为广阔的民用领域。不同的应用场合，对探测器的性能指标要求不同，但固定图形噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)作为影响成像质量的重要因素，受到不同程度的关注。

国内对IRFPA的固定图形噪声(FPN)定义在国标GB/T17444-2013中有表述，其内容是：红外焦平面在均匀辐照条件下，各有效像元输出电压的均方根偏差[2]计算公式如下：

GB/T17444-2013中对FPN的定义是基于探测器本身，并未对成像画面的噪声做出定性或定量表述。在实际的成像系统中，实时成像之前都要对探测器的输出做非均匀性校正(Non-Uniformity Correction，NUC)，校正后的信号再通过显示设备转换成最后的画面信息[3]。因此，要衡量实际探测器的成像质量，简单应用

GB/T17444-2013中的定义是不准确的，画面中的噪声其本质是非均匀校正后的

残留，这种残留才是影响成像质量的关键。目前国内还没有一个统一的对非均匀性残留定义和度量方法，因此本文提出了一种针对非均匀校正后残留噪声的计算和量化方法：通过分时域滤波确定FPN，并通过小波变换分离出FPN的高、低频分量，最后证明通过小波变换后的高频分量是影响成像分辨率的主要因素。

焦平面器件应用至今同，国际上已经提出了多种非均匀均匀性校正的方法，其中有的已经应用，有的正在理论探索和实验室研究阶段[4]。现有非均匀性校正算法有

基于参考源的定标类校正算法(Caliberation-Based NUC,CBNUC)和基于场景自

适应校正算法(Scene-Based NUC,SBNUC)。CBNUC通过辐射定标获得增益和偏置参数对IRFPA进行校正，其典型通用方法是两点校正法，由于该方法原理简单，计算量小，因而实时性好，硬件中更易实现，现已被广泛应用在实时成像系统中。SBNUC利用探测器相应模型和图像帧间关系，根据场景信息动态更新校正参数，有效解决时间积累或工作环境带来的时间漂移，实现动态实时非均匀性校正[5]。2.1 传统两点校正算法

两点校正方法假设探测器阵列的所有像元在关注的温度范围内的响应曲线是线性的，如式(2)所示：

从式(2)模型可以看出，探测元之间的非均匀性主要是探测元线性关系的斜率和截

距之间的差异，两点校正就是对这两个变量进行校正。

实际应用时的定标方法是：选用黑体作为探测器目标，黑体温度代替辐照度作为定标参考(假设黑体温度和黑体辐照度等价)，分别选用两个黑体温度TH和TL作为