红外焦平面探测器普及知识

红外焦平面探测器普及知识

红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。

从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。

国内外现状和发展趋势

自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。因此，红外热成像技术在海上救援、天文探测、遥感、医学等各领域得到广泛应用。

红外热成像系统可以分为制冷和非制冷两种类型，制冷型有第一代和第二代之分，非制冷型可分为热释电摄像管和热电探测器阵列。第一代热成像系统主要由红外探测器、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成，其中红外探测器是系统的核心器件，一般是分离式探测器。这种

热像仪实际上是利用单个探测器通过光机扫描扫过景物得到电信号， 再经过信号处理显示成可见的图像。第二代热成像系统采用了位于光学系统焦平面上，带有信号处理能力的面阵探测器，即红外焦平面阵列（IRFPA）探测器。红外焦平面阵列是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物，兼具辐射敏感、电荷存储和多路传输等功能。

红外焦平面阵列探测器的出现，是红外成像系统史上的一个划时代的进步，用红外焦平面阵列探测器构成的红外成像系统较传统的光机扫描红外成像系统具有结构简单、工作稳定可靠、灵敏度高、噪声等效温差性能好等优点。随着红外焦平面阵列制造工艺的不断完善，最终将会成为热像仪中占主导地位的产品。

目前国内外红外焦平面阵列（IRFPA）的非均匀性校正方法可以分为两大类：第一类为基于红外参考辐射源标定的校正算法，该类方法假定探测元的响应特性是非时变的（在一段时间内），通过事先利用定标辐射源（通常为黑体辐射源）对IRFPA 各探测元的响应进行标定，来实现非均匀性校正，主要包括两点校正法，多点校正法，分段线性校正法和基于多项式拟合的算法。第二类为基于场景的自适应校正算法，该类方法利用序列图像来估计IRFPA 的校正系数或者直接估计校正结果。主要有时域高通滤波法、人工神经网络法、恒定统计平均法等。

基于参考源的校正算法是目前已经实用化的技术，但该类算法都是建立在探测单元响应特性为定常的假设条件下，而实际其响应特性是随时间和环境变化的。因此，在实际应用中，需要对系统进行周期性的重复定标以消除参数漂移的影响，这就相应地增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性和响应速度。

基于场景的校正算法不但省略了参考辐射源，使系统得到了简化，提高了系统的稳定性，而且可以有效地消除参数特性漂移的影响，实现高精度、大动态范围的自适应非均匀性校正。但是由于受到当前技术水平的限制，这类算法目前无法满足实时实现的要求，因此在实际系统中应用较少。尽管如此，这类算法却是今后非均匀性校正（NUC）算法的发展方向。

两点校正法

两点校正法原理简单，计算量小，容易实现，是焦平面阵列系统中最广泛使用的一种非均匀性校正方法。根据两点校正法，假设对红外焦平面探测器的辐射强度为φ，输出值为Y，增益因子和偏移因子分别为ij G 和ij O ，则有：

()ij ij ij ij Y G X O φ=+ （2.3）

图2.1是具有不同增益因子和不同偏移因子的两个像元的输入输出曲线，其中横坐标为红外辐射

能量，纵坐标为光电响应电平。从图中可以看出曲线的斜率反映了增益因子的非均匀性，截距反映了偏移量的非均匀性。

图 2.1 两点校正法

两点法非均匀性校正的过程就是要使图中输入输出响应曲线A，B和标准曲线S重合。因此，先将A、B旋转成,A B ''和S平行，就相当于完成对增益的校正。然后再将,A B ''平移到和S重合，这相当于完成对偏移的校正。

两点法的温度定标是指在光路中插入一个均匀辐射的黑体，通过红外焦平面探测器各阵列元对高温H T 和低温L T 下均匀黑体辐射的响应计算ij G 和ij O ，从而实现非均匀性校正。设高温H T 和低温L T 下所有阵列元的响应分别为H V 和L V 。

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11()()()()

H ij ij ij L ij ij ij

M N ij L i j L M N ij H i j H V G X H O V G X L O X

V M N X

V M N

φφ=====+⎧⎨=+⎩=⨯=⨯∑∑∑∑ (2.4) 其中()ij X H 和()ij X L 分别为像元(,)i j 在高温和低温均匀辐射下的响应，M，N分别是焦平面阵列元的行数和列数。 由(2.4)式求出校正增益和偏移量为：

()()()()()()H L ij ij ij H ij

L ij ij ij ij V V G X H X L V X L V X H O X L X H -⎧=⎪-⎪⎨-⎪=⎪-⎩