IRFPA的一种新的非均匀性校正算法

非制冷红外探测器片上偏压逐点非均匀性校正方法张宁;柴孟阳;赵航斌;孙德新【摘要】针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal PlaneArray,UIRFPA)成像系统中普遍存在的非均匀性较差的问题,本文提出了一种基于探测器工作偏压对其输出影响来进行片上非均匀性校正(Non-uniformity Correction,NUC)的方法——探测器片上偏压逐点NUC技术.该方法是在探测器每一个像元关键偏压VEB和VFID上使用DAC供电,通过在积分前对每个像元的偏压进行单独的调整来校正其信号输出值.在不影响探测器帧频的情况下,实现了非均匀性从1.9%降低到0.4%,有效改善了探测器原始信号的非均匀性,且具有很好的实时性.%Aiming at solving the problem of poor uniformity in uncooled infrared focal plane array imaging systems, a method for on-chip nonuniformity correction (NUC), which is a correction based on the effect of detector bias on its output, is proposed, i.e., a detector on-chip point-by-point NUC method. In this method, the key biasesVEB andVFID of each pixel at the detector are powered by digital-to-analog convertors. The output signal is corrected by adjusting the bias of each pixel individually, before integration. As a result, the nonuniformity is reduced from 1.9% to 0.4% without affecting the frame rate. This method effectively improves the nonuniformity of the original signal of the detector and has good real-time performance.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2017(039)008【总页数】6页(P682-687)【关键词】非制冷红外探测器;关键偏压;片上;非均匀性校正【作者】张宁;柴孟阳;赵航斌;孙德新【作者单位】中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心,江苏启东 226200【正文语种】中文【中图分类】TN215微测辐射热计（Microbolometer）是一种基于热敏电阻的红外探测器，其基本原理为光敏元的热敏材料通过吸收红外辐射引起自身阻值改变并转化为电信号输出。

改进的红外图像神经网络非均匀性校正算法摘要：红外焦平面阵列（IRFPA）像元响应存在不一致性，会严重影响红外成像系统成像的质量，实际应用中需要采用响应的非均匀性校正（NUC）技术。

传统的神经网络校正算法在校正结果中存在图像模糊和伪像的问题，影响人们对于目标的观察。

在分析了传统的神经网络性校正算法所出现问题原因的基础上，提出了有效的改进算法：用非线性滤波器代替传统算法中使用的均值滤波器。

算法改进之后所得到的校正图像，不仅在清晰度方面有明显的改善，而且有效的消除了传统算法中存在伪像的问题。

关键词：非均匀性；神经网络；模糊；伪像中图分类号：TN215 文献标识码：AImproved infrared image neural network non-uniformitycorrection algorithmAbstract：The responsive of infrared focal plane arrays (IRFPA) is different; it will affect the quality of imaging system seriously. Non-uniformity correction technology will need in practical application. The calibrated images have the problems of blurring and existing ghost artifacts when use the traditional neural network correction algorithm. And it is bad for the observation of the target. After analysis the reasons for the problems in the traditional neural network correction algorithm，proposed the improved algorithm. Replace the mean filter, which used in the traditional algorithm, by the nonlinear filter. The corrected image by the improved algorithm not only a marked improvement in clarity, but also effectively eliminate the problem of artifacts in traditional algorithms.Keywords：Non-uniformity; Neural network; Blurring; Ghosting artifacts0引言红外技术是20世纪初新出的一种不可见光技术，目前已被广泛应用于军事和民事领域，如红外探测，红外监视等。

!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-0062-04Imaging multi !point nonuniformity correction method for IRFPAHUANG 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.Based on the analysis of two !point correction algorithm,an improved multi !point algorithm is put forward and its implementation is also discussed.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 ZNonuniformity ZMulti !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.1Infrared and Laser 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Ix 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.1Response 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]Iy 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TL下的响应规格化为VT和VTIVT=Gijxij(!T)+0ij(3)VT=Gijxij(!T)+0ij(4)校正增益和校正偏移量则可以用下式计算IGij=VT-VTxij(!T)-xij(!T)(5)ij=VTxij(!T)-V T xij(!T)xij(!T)-xij(!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TH下响应xij(!T)和低温TL下的响应xij(!T)求平均a得IX!T=i"j"x ij(!T)i!j(7)X!T=i"j"x ij(!T)i!j(8)令IVT=X!T a VT=X!T()用公式(5)\(6)\()校正a即以点(xij(!T)a X!T)与点(xij(!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O0a0两点校正法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Gij 和校正偏移Oij,然后把Gij 和Oij存储到相应的存储单元O实际运算时将会把Gij 和Oij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!"!Kij0lO0式中Kij 和Bij分别为校正增益和校正偏移;yij为校正后的输出0设探测单元在高温T H下的响应xij0"T0和低温T L下的响应xij 0"T0为:##=i$j$x ij0"T0-x ij0"T0i!j0ll0则Kij=##xij0"T0-xij0"T00l20Bij为低温TL~辐照度均匀情况下,红外焦平面的多场平均响应xij0"T00根据公式0lO0!0l20实现非均匀性校正过程如图3所示00l0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Tl~T2~T3~T4等,取其探测单元的响应xij0"T0~xij0"T0~xij0"T0~xij0"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0020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$,计算每个探测单元的平均响应值:xij0"T0=n$x ij0"T0nn0l30将xij0"T0作为另一组校正参数存放在内存中0030分别把Tl~T2~T3~T4与T$比较0实际是比较红外焦平面在Tl~T2~T3~T4和T$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TL040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Kij和偏移Bij050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"T0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 nonuniformityb >Image after nonuniformitycorrection 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 correctionusing 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O2>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 noise[J].Infrared Physics and Technol #ogy ,1996,37:595-605.[2]Harris John G ,Chiang Yu #Ming.Nonuniformity correction of in #frared image seguences 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书讯!!!!!!!!!。

IRFPA响应的非均匀性校正的算法研究CONTENTS一．IRFPA响应的非均匀性产生原因…………二．常见的非均匀性校正方法的原理三．两点标定法及改进思路四．自适应算法的介绍和改进五．盲元替代的实现附录一：用于实现两点标定法和盲元处理的MFC源程序参考文献一．IRFPA响应的非均匀性产生原因为了对IRFPA响应的非均匀性进行校正，我们有必要先对它的定义和成因进行介绍。

红外成像过程可以描述为目标和背景的红外辐射通过大气和光学系统传输后到达红外焦平面阵列（infrared focal plane arrays, IRFPA），红外探测器把辐射信号转换为电信号，然后经过读出电路输出显示的过程。

因此，IRFPA响应输出是目标辐射特性、大气传输特性、光学系统特性、器件响应特性等诸多因素共同作用的结果。

依此，我们可以把影响红外成像质量的因素分为四种：响应的非均匀性，响应的漂移特性，盲元，目标辐射的对比度。

对于目标辐射的对比度，由观测对象决定，但可以通过图像增强的方法进行改善。

本文主要讨论前三种。

对于理想的IRFPA，假定输入辐射均匀且相同的话，那么每个探测器的输出信号应该完全相同。

但事实上，由于制作工艺，材料质量等因素的影响，每个探测器在阻抗，容抗，热敏面积，电阻温度系数等参数方面均有差别，因此输出信号幅度并不相同，即产生固定图案噪声( Fixed Pattern Noise , FPN )，这种不一致就是IRFPA响应的非均匀性。

1999年中华人民共和国国家标准红外焦平面阵列参数测试技术规范中的关于非均匀性(NU)的定义如下：(1-1)其中V表示红外焦平面阵列上所有有效像元的输出信号平均值(在计算输出信号的和以及非均匀性时，均不包括无效像元的信号值)，M和N分别为焦平面阵列的行数和列数，d 为焦平面阵列中的死像元数，h为焦平面阵列中的过热像元数。

盲元包括死像素和过热像素。

死像素指响应率小于平均响应率的1／10的像素；而过热像素就是响应率大于平均响应率10倍的像素。

红外图像两点非均匀性校正算法工程实现作者：何火胜来源：《科技与创新》2014年第12期摘要：红外焦平面探测器（IRFPA）是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件，但是，由于其像元红外响应度不一致，存在非均匀性，大大降低了成像质量，所以，在实际工程应用中，需采用响应的非均匀性校正技术。

介绍了IRFPA非均匀性的产生机理和两点非均匀性校正算法原理，红外探测成像系统采用640×480焦平面探测器，选择FPGA硬件平台进行两点非均匀性校正工程实现，明显改善了图像效果。

关键词：红外焦平面；两点法；非均匀性校正；工程实现中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0004-02红外焦平面探测器是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件。

由于受制造探测器半导体的质量和工艺水平的影响，使得器件内各探测单元即使在相同的辐射能量照射下也会输出不同的响应电压，并且探测器各像元的响应特性随着工作环境温度的变化而变化，导致红外图像质量下降，影响实际使用。

为了使图像能有好的成像效果，在工程使用中，要对红外图像的非均匀性进行校正。

目前，国内外红外图像非均匀校正出现多种算法，归纳起来大致分为两大类，即基于场景的算法和基于定标的算法。

基于场景的算法在克服IRFPA 响应偏移误差方面存在优势，是目前研究的主要方向，但在实际工程中应用的不多。

由于基于定标的算法简单、精度高，所以被广泛应用。

文中对基于定标的二点非均匀性算法进行了研究，并对其进行工程实现，取得了良好的图像效果。

1 红外成像系统的非均匀性一幅红外图像的形成要经过物体热辐射、大气传输、光学系统、探测器的转换和信号传输等过程。

红外焦平面阵列非均匀性的产生是所有过程共同作用的结果，主要有红外探测器、读出电路、半导体特性、放大电路和外部环境等。

探测器自身的非均匀性在整个系统的非均匀性中占很大的比例，它的产生受到制造探测器的半导体质量和加工工艺过程的影响。