非制冷红外图像非均匀性校正在FPGA上的实现

非制冷红外图像非均匀性校正在FPGA上的实现

苏满红;吴志敏

【摘要】The non-uniformity of infrared focal plane array ( IRFPA ) is a key factor that affects the infrared imaging quality. The nonuniformity correction of the uncooled infrared image and its realization in FPGA is presented. Based on analysis of the uncooled infrared image blind element and nonlinear correction, a method of calibration correction with two points plus one point is put forward. The perfect experiment result was achieved by real-time processing which utilyzes FPGA to realize the non-uniformity correction of infrared image. The calibration correction method can improve the correction effect of infrared image uniformity correction and realize the real-time processing of infrared image by achieving the nonuniformity correction in FPGA. It is convenient to integration and transplantation.%红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是影响红外系统成像质量的关键性因素,在此提出了一种非制冷红外图像的非均匀性校正及其在FPGA上的实现方法,通过对非制冷红外图像盲元及非均匀校正方法分析,提出了二点加一点定标校正方法,并利用FPGA实现红外图像非均匀校正的实时处理,获得了较好的实验结果.利用二点加一点定标校正方法,可以改善红外图像非均匀性校正效果,用在FPGA 上实现非均匀性校正可以实现红外图像的实时处理,便于集成和移植.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2012(035)022

【总页数】4页(P62-64,68)

【关键词】非制冷红外图像盲元;非均匀校正方法;FPGA;IRFPA

【作者】苏满红;吴志敏

【作者单位】深圳职业技术学院,广东深圳 518055;深圳职业技术学院,广东深圳518055

【正文语种】中文

【中图分类】TN919-34

0 引言

红外热成像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，能直接观察到温度的世界。随着红外技术的不断发展，红外热成像系统已从单元探测器光机扫描成像方式发展到焦平面凝视成像方式。由于制作器件的半导体材料的不一致性、掩膜误差、缺陷、工艺等原因，红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)器件各探测单元响应特性之间普遍存在着非均匀性及盲元[1]，在图像上表现为空间噪声或固定图案噪声、暗点或亮点。

红外焦平面阵列(IRFPA)的非均匀性是影响红外系统成像质量的关键性因素，严重影响了红外传感器的成像质量，因而工程中使用的IRFPA器件都要采用相应的非均匀性校正技术。基于定标的非均匀校正技术是在特定温度的黑体均匀辐射下，对红外焦平面进行定标，通常需要事先获得校正所需要的定标系数,然后在校正实现过程中读取这些数据做相应的处理,精度高,算法相对简单,便于硬件实现。

1 红外图像非均匀性校正原理

1.1 盲元检测与替换

盲元，或称失效元，是指焦平面器件中响应过高和过低的探测器单元[2]，盲元的

数量及其分布对器件性能的影响很大，因此对焦平面器件中的盲元进行检测和补偿对提高红外系统的性能具有重要的意义。

对于盲元的定义，主要是从器件对黑体辐射的响应程度作为量化指标的。正常探测器像元与盲元在响应特性上有很大差异，正常探测器像元的温度响应特征曲线是在一定动态范围内呈线性的，一般情况是随着温度的升高其对应的特征值也随着升高，而盲元的动态范围远离正常的探测单元的动态范围，在特征曲线的表示为变化斜率偏高或者偏低(如图1所示)。

本系统采用基于两点参考辐射源的盲元检测技术，借助高、低温黑体参考源均匀照射红外探测器，得到两组响应数据，即不同温度辐射源照射下探测单元成像灰度值。并分别求取两组响应数据的平均响应值，其中MXN为探测器探测元阵列个数：

定义高、低辐射源照射下的平均响应值之差Y2-Y1为平均响应率，每个像素点在高、低辐射源照射下的响应数据之差为响应率，若某像素点的响应率大于平均响应率的1.2倍或小于平均响应率的0.8倍，则该像素点视为盲元，并在数组中标记。盲元替换是采用盲元周围的有效图像信息对盲元位置的信息进行预测和替代的过程。根据盲元检测的数组标记确定要替换的像元，以该像元为中心进行加窗扩展，将

3×3里面除盲元外的8个元素的响应值求取平均值，将盲元的响应值用平均值替

代(如图2所示)。

图1 盲元定义

图2 盲元替换

1.2 非均匀性校正

基于参考辐射源的非均匀性校正算法也称为基于定标的非均匀校正算法，是目前最为成熟并且已经实用化的一类[3]，精度高，算法相对简单，便于硬件实现。这类

校正方法的设计思想是：利用参考辐射源对红外焦平面阵列成像系统均匀辐照度，对每个探测器单元的响应输出进行测量，由此计算得出各探测校正所需要的定标系数；当红外焦平面阵列成像系统接收到实际目标场景辐照度时，用探测器单元相应的定标系数对其进行实时校正。按参考辐射源定标点的个数分为一点校正算法、两点校正算法、多点校正算法。

一点校正和两点校正都是假设红外探测器的响应曲线为直线，多点校正则认为探测器的响应为曲线，并用分段的直线来近似响应曲线，在每段利用两点校正算法校正。在红外焦平面阵列中，虽然每个探测单元的响应函数是一个非线性函数，但一个较小的工作范围内，探测器的响应曲线可以近似为直线。

一点定标校正算法的优点很明显，它只需测出红外焦平面阵列在一个均匀辐照度下各个探测器单元的输出，即可计算得出校正参数，定标测量容易实现，算法相当简单。但是这种算法的缺点也很大，从算法和示意图中可以看出该算法实质上只对器件的偏置做了补偿，而没对增益做校正，即相当于将响应直线做了位置的平移(如

图3所示)。

图3 不同像元响应直线与一点定标校正结果

为了克服一点定标线性校正算法的不足，引入两点定标线性校正算法。两点校正法是通过测量阵列中各探测器单元对2个不同辐照度的均匀黑体辐射的响应，并由

此计算出校正值，从而实现非均匀性校正。其原理如下：

(1) 在黑体温度为T1 时,测得探测器第ij单元的响应

(2) 在黑体温度为T2 时,测得探测器第 ij单元的响应

(3) 计算各个单元的校正系数。

在动态范围下，T1 和T2 两个标准响应值分别为YT1 和YT2。标准响应在理论上

是可以任意指定的，但是应该考虑定标表示范围和探测器的响应范围，则有：