基于积分时间的IRFPA非均匀性校正方法研究

Key wor ds：Infrared focal plane arrays; Nonuniformity correction; Integration time
0引 言
红外焦平面阵列（IRFPA）是红 外凝视成像系 统的核心器件，由于红外系统中存在 IRFPA 自身的 非均匀性、IRFPA 与读出电路耦合的非均匀性以及 由 IRFPA 工作状态或光学系统带来的非均匀性，影 响到红外系统的成像质量，因此围绕 IRFPA 的非均 匀性校正技术而开展的研究得到人们的广泛关注。 目前 IRFPA 的非均匀性校正方法主要分为基于场景
3.1 积分时间的选择 在实际使用的定标方法中，积分时间段的选取、
段内区间的划分以及定标点位置的确定是需要仔细 研究的重点。文中提出了在室温环境下实现基于积分 时间调整的方法实现红外系统在低温段的定标，使其 能够达到基于黑体定标达到的效果。
从红外系统的整个动态范围中分别选取两个温 度段：243~263 K 和 263~283 K，每个温度对应 20 K 的温度范围，段内又分为 5 区间，6 个定标点，划分 方法见图 3。首先建立一套基于黑体的定标方法而获 得的 IRFPA 响应率数据，然后根据数据进行基于积 分时间定标时，在每个定标点选择积分时间时，遵循 的原则是：使该积分时间时刻，IRFPA 输出的平均响
4 结束语
法的工程化提供更为有力的科学依据。
参考文献:
[1] 陶坤宇，李福巍，周彦平，等. 红外焦平面成像系统动态范围自适 应技术研究[J]. 红外与激光工程，2008，37（2）：265-269.
[2] 蔡盛，柏旭光，乔彦峰. 基于标定的IRFPA非均匀性校正方法综述[J]. 红 外技 术，2 0 0 7 ，2 9 （1 0 ）：5 8 9 -5 9 2 .
的校正方法和基于定标的校正方法，基于场景的校 正方法不需要参考源，其原理是依据来自被观察的 场景信息进行实时校正，具有自适应能力，但算法 复杂，难以硬件实现，在工程应用中存在一定困难。 基于定标的校正方法借助均匀的黑体辐射源或调整 积分时间方法，可以采用现场定标或实验室温度定 标方式生成非均匀性校正参数，由于定标校正的算 法简单灵活，运算速度快，易于硬件实现，因此在 工程上被广泛采用。
ห้องสมุดไป่ตู้
607
难免会受到影响。此外，本文研究的积分时间校正方 法是建立在基于黑体校正方法的模型之上的，对于积 分时间的选择目前正处于摸索阶段，因此后续工作中 还需要进行大量的实验工作，积累相应的数据。最终 目的是建立一个完备的“场景——I RFPA响应率—— 积分时间”数据库，并以此为根据，找到一种合适的 积分时间的分段、划分方法，进一步提高基于积分时 间定标方法的效果。
收 稿日 期 ： 2008-06-20 作者简介：霍晓江(1974-)，男，天津人，工程师，主要从事红外成像技术的研究。Ema il:xiaojia nghuo@
增刊
霍晓江等：基于积分时间的IRFPA 非均匀性校正方法研究
605
1 IRF PA 非均匀性定标校正方法原理
基于定标的校正算法需要选择合理的定标点，根
HUO Xiao-jiang, GUO Zhao-min, ZHANG Zhi-heng, LOU Bo
(Tianj in Jinhang Inst itut e of Technical P hysi cs, Tianjin 300192, Chi na)
Abst r act ：The continuous development of infrared focal plane array (IRFPA) greatly promotes t he performance of IR i maging system. But the nonuniformity of IRFPA has limited the quality of the IR imaging system. The research on nonuniformity correction of IRFPA has been deeply attended. The approach of nonuni formity correction based on calibration was discussed. Contrasted the correction method based on blackbody with t he correction method based on integration ti me. A practical nonuni formity correction method based on integration time is put forward and the method was validated experimentally. The result proves that the method has availability and can fulfill actual demand.
但是 IRFPA 的非均匀性成为影响红外成像系统成像质量的制约因素，围绕 IRFPA 的非均匀性而开展
的校正技术得到广泛关注。对基于定标非均匀校正技术的原理进行了探讨，将基于黑体定标方法和
基于积分时间定标方法加以对比，提出了一种实用化的基于积分时间定标校正的实施方法，并加以
验证，结果证明了该方法具有有效性，能够满足实际使用的需要。
分时间的方法获得 IRFPA 所有探测元在两个定标点
处的响应值（见图 1 和图 2），并确定校正参数 k，b，
然后再利用校正因参数进行非均匀性补偿。每个像元
的输出 V( )可以校正为 V′( )：
V ( )= k V ( )+ b
s
1
jj
1
j
(2 )
V ( )=k V ( )+b
s
2
jj
2
j
V( ) V( )
关键词：红外焦平面阵列； 非均匀性校正； 积分时间
中图 分 类 号 ：T N2 16
文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增( 红外) -0604-04
Resear ch on nonunifor mity cor r ection of IRFPA based on integr ation time
图 5 定标校正效果对比 Fig.5 Correction results of calibration
3.3 基于积分时间校正方法的研究方向 由于基于积分时间校正方法在定标过程中，生成
校正参数的积分时间生成不是来源于真实、均匀的外 场辐射与实际使用的积分时间有差别，所以校正性能
增刊
霍晓江等：基于积分时间的IRFPA 非均匀性校正方法研究
据定标点对 IRFPA 像元的实际响应曲线做直线、折
线或者曲线近似，从而降低运算量，并保持相应的精
度，能够很好的满足工程应用的需要。在 IRFPA 定
标校正的方法中两点校正方法最具有代表性，两点校
正法是一种线性校正算法，它假设探测器的响应输出
和红外辐射量呈线性关系：
V = kΦ+ b
(1 )
在进行定标校正时，可以采用基于黑体或基于积
kj
=
s
Vj (
2
2)
s1
Vj ( 1 )
bj = Vs ( 1) kj ×Vj ( 1 )
Vj′= kj ×Vj ( ) + bj 式中：j 是探测器像元数，j=1，2，3，······，N。
由于两点校正方法存在动态范围小的缺点，为提 高校正精度，可采用多段定标的方法，即在系统的全 动态范围内，将定标数据划分为若干个区间，在每个 区间内再按照两点校正方法进行校正，也就是在每个 区间都采用线性近似的方法，最终逼近实际的响应曲 线。实际校正工作时，需要根据 I RFPA的响应值判断 其属于哪个区间，然后调用该区间的校正参数进行校 正工作，该方法称为分段线性插值法，见图 3。该方 法选取的定标点越多，校正精度就越高，但是相应的 计算量也越大。
性，是评价红外系统非均匀校正效果的重要依据，NU
值由下式计算：
NU = RMS
(3)
V
式中：
RMS =
1 n
n
∑
(V j
j =1
V)2
(4)
V
=
1 n
n
∑Vj
j =1
(5)
实验结果表明利用基于积分时间的定标方法可 以将红外系统的不均匀性控制在 5‰以内，与基于黑 体定标校正方法的效果相当，见图 6，图中未做标注 的曲线是基于积分时间校正方法的 NU 值曲线。
2 基于黑体和基于积分时间定标方法的比较
基于定标的校正方法分为基于黑体和基于积分 时间的校正方法，这两种校正方法具有各自的特点，
606
红外与激光工程： 红外成像系统仿真 、测试与评价技术
第 37 卷
适用范围和实用性也有差别。 基于黑体的定标校正方法，分为现场定标和实验
室定标两种。现场定标方法需要在红外成像系统中设 置参考黑体及控制机构，这种方法可以随时根据红外 系统自身以及所处环境的变化进行定标工作，使定标 工作十分灵活，对需要长期使用并经常进行定标的系 统十分有利，但是在内部空间紧凑和使用场合苛刻的 红外系统中，无疑增加了红外系统的设计难度、降低 了系统的可靠性。实验室定标方法是在实验室内利用 黑体提前定标装订红外系统的校正参数表，该方法需 要宽温度范围的面源黑体，目前，国产常温黑体和高 温黑体可实现以上的定标功能，普通黑体难以实现低 温定标功能。国际上一些红外厂商生产的温度型面源 黑体，能够满足宽温度范围、高精度多点温标参数定 标的要求，但是这些设备价格昂贵，操作复杂，对需 要重复定标的红外系统尤为不利。
由于基于黑体定标方法存在的上述缺陷，为此研 究基于积分时间的定标校正方法就显得十分重要。基 于定标校正方法的本质是利用 IRFPA 在不同条件下 的响应值差异来计算校正系数，进而实现校正目的， 而在相同入射辐射能量下，通过调整 IRFPA 的积分 时间，就能得到像元不同的响应值并计算出非均匀性 校正参数。以此为根据，文中提出了一种定标校正的 新思路，即在室温条件下，基于积分时间的实用化定 标校正方法，该方法所需设备少、操作简单、参数装 订周期短，便于实施。