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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。
红外相机工作原理
红外相机工作原理是基于红外辐射的检测和成像技术。
红外辐射是指在电磁波谱中，波长较长于可见光但较短于微波的辐射。
红外相机利用感光元件（通常为红外焦平面阵列）和图像处理系统来探测和记录物体所发射或反射的红外辐射，从而实现物体的热成像和热变化的监测。
红外相机的主要组件包括红外感光器件、镜头、滤光器、信号处理和显示系统等。
红外感光器件是红外相机的核心部件，它能够将接收到的红外辐射转换成电信号。
常见的红外感光器件有热电偶和焦平面阵列。
热电偶利用红外辐射使两种不同金属的接触点产生温差，从而产生电压信号。
焦平面阵列则由许多微小的红外感光器件组成，每个感光器件负责一个像元，能够直接生成像素级的红外图像。
镜头在红外相机中起到聚焦红外辐射的作用，使其能够在感光器件上形成清晰的红外图像。
为了增强红外图像的质量和可用性，通常还会添加滤光器，用于选择性地透过特定波长范围的红外辐射。
信号处理和显示系统负责将感光器件获取的红外图像进行处理和显示。
在图像处理过程中，常见的操作包括噪声去除、图像增强、温度校正等。
处理后的图像可以通过显示系统以图像或视频的形式呈现给用户。
红外相机工作原理实际上是通过检测物体释放的热能来实现成像。
由于不同物体的温度不同，因此它们会发射不同强度和频
率的红外辐射。
红外相机能够将这种辐射转化为电信号，并经过处理后形成清晰的红外图像。
这种技术在军事、安防、医学和工业等领域有着广泛的应用。
第36卷，增刊红外与激光工程狮年9月1Vr01．36Suppl e m e nt1116盈I_ed and L．a s er E ngi I l oef i ng S印．2(X y7光学读出热成像焦平面阵列的制作技术冯飞，李珂，杨广立，闰许，熊斌，王跃林(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：光学读出热成像是一种新型的红外成像技术，它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强，具有高性价比的潜在优势。
光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成，其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。
目前，国内外的研究者已发展了基于表面微机械、一体微机械以及表面，体微机械工艺的3种制作技术，前两者各有优缺点，而基于表面／体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。
关键词：光学读出热成像；焦平面阵列；微机械工艺中圈分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007．2276(2007)增(探测与制导)．0483—04Fabr i cat i on t e chnol ogy of opt i caU y r e adabl e t her m al i m agi ngf ocal pl a ne ar r ayFE N G Fei，U K e，Y A N G G u粗g—l i，Y A N X u，ⅪoN G B i I l，W蝌G Y ue—l i n(Sh鲫ghai I I l s t it I I t e o f M i cm syst cm柚dInfom l at i叽慨hnol ogy．(耻∞∞A cadcm y0f Sci∞ccs，Sh锄gh ai200050，C h i l l a)A bs t r act：O pt i cal l y r e am bl e m e m a l i m a gi ng，a noV el i n缸ar ed i m agi II g t e cl l I l ol ogy bas ed o nbi l l l at er i al ef!I’e ct and opt i ca l pri nc i pl e，has pot e nt i a l r ne r i t of l l i gh peI f bnnan ce pri ce r at i o．opt i ca l l y r eadab l e t l l e呻al i m a gi ng f oca l pl a l l e anr ay(oR一Ⅱ一H'A)consi st s of m oV abl e rni croⅡl in．or蝴y．’nlef abr i c撕on t echn ol ogy of O R—T I—FP l A is on e of t l le i m pom m t r es ear ch subj ect s．N ow t hI’ee f al试cal i ont ccl l l l ol og i es of O R—TI—FPA，w l l i ch ar e bas ed on sum l c e r nj cr om achi I l i ng，bu l k m i crom achi ni ng卸ds疵饥ul l(IIlicm m acll illing pr oces s，haV e be en deV el oped．T he f om er t w o t echnol ogi es ha V e t11eir m er i t s aI l d di sadV an住唱e s，aI l d tl l e l at t er com bi nes t l le m er i t s of t he f o加er t w o．K ey啪rds：opt i cal l y r eadabl e m e衄al i m ag她；Focal pl aI l e ar r ay；M i cr om acl l i l l ing pr oces sO引言红外成像技术在军事、民用领域均有十分广泛的应用。
第一章5.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点？在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑？答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。
而区别是光电成像系统中多了光电装换器。
b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差；分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认；时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上；空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察；光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。
6．反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。
在直视型光电成像器件用于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1，光电灵敏度：或者：8.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？答，利用分辨力和光学传递函数来描述。
分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨力。
通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹来表示。
光学传递函数：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。
对于具有线性及时间、空间不变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。
第二章6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）；景物细节对光电成像系统接受孔径的张角；景物细节与背景之间的辐射对比度。
第三章13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类：黑体，=1；灰体，<1,与波长无关；选择体，<1且随波长和温度而变化。
14.试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。
答：普朗克公式：普朗克公式描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体理论的基础。
斯蒂芬-波尔滋蔓公式：表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。
维恩位移定律：他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。
最大辐射定律：一定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。
红外焦平面阵列简介自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。
进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。
红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。
红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。
目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。
下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发展方向。
一、红外焦平面阵列原理焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。
二、红外焦平面阵列分类1、根据制冷方式划分根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。
制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体[5]。
由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。
当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。
不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。
2、依照光辐射与物质相互作用原理划分依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。
光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。
热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。
这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。
3、按照结构形式划分红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。
因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。
其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料。
混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。
混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。
4、按成像方式划分红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。
凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。
5、根据波长划分由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。
人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。
三、读出电路读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。
对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的信号读出可不是一件容易的事，尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的方面。
1、自积分型读出电路在所有读出电路结构中，自积分（SI）电路最为简单，仅有一个MOS 开关元件，其象元面积可以做得很小。
在SI 电路中，光生电流（或电荷）直接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输出积分信号。
此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压，其后接电荷放大器，在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。
积分电容主要为探测器自身的电容，但也包括与之相连的一些杂散电容。
在某些探测器中，此电容可能是非线性的（如光电二极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发生变化，可能引起输出信号的非线性。
该电路的另一个缺点是无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。
2、源随器型读出电路（SFD ROIC）为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在SI 后加缓冲放大器。
实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一MOSFET 源随器（SFD），即构成源随器型读出电路。
源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题，但偏压会随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。
SFD电路在很低背景下具有较满意的信噪比，但在中、高背景下，与SI 读出电路一样，其也有严重的输出信号非线性问题。
复位MOS 开关会带来KTC 噪声，而源随器MOS 管的1f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。
3、直接注入读出电路（DI ROIC）直接注入（DI）电路是第二代探测器（即探测器阵列）使用最早的读出前置放大器之一。
它首先用于CCD 红外焦平面阵列，现也用于CMOS 红外焦平面阵列。
在此电路中，探测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大小主要与积分电容的大小有关，当然也受电源电压的限制。
此电路在中、高背景辐射下，注入管的跨导（gm）较大，这主要是因积分电流较大的缘故。
此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效率相对较高。
在低背景下，因注入管的跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。
在一定的范围内，DI 电路的响应基本上是线性的。
但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声，因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的问题。
4、反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC）反馈增强直接注入电路（FEDI）以DI 读出电路为基础，在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器，其目的是在低背景下，进一步降低读出电路的输入阻抗，从而提高注入效率和改善频率响应。
视反馈放大器的增益不同，FEDI的最小工作光子通量范围可以比DI 低一个或几个数量级，响应的线性范围也比DI 的更宽。
但象元的功耗和面积也随之增加了，面积的增加对现在日益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利。
5、电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）电流镜栅调制电路（CM）可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作。
通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限制，故不可能做得很大。
在高背景的应用中，很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态，从而使读出电路失去探测信号的功能。
CM 读出电路可避免这种情况的发生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增大，电流增益自动减小。
但是，CM 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应也是非线性的。
因而，此读出电路的总体性能受限。
6、电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC）电阻负载栅极调制电路（RL）的构造思想和目的与CM 几乎一样，其效果也差不多，只是因用电阻替代了MOS 管，可使象元1f 噪声更小，并提高了探测器偏压的均匀性。
由于大电阻的制造与数字CMOS 工艺是不兼容的，RL 的阻值不可能很大。
此外，因电路结构的原因，当探测器电流很小时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差。
在大多数的应用中，需要对其输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效果，故此类读出电路不见常用。
7、电容反馈跨阻抗放大器（CTIA ROIC）CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器，探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。
它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声。
且输出信号的线性度也很好。
此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来CKT 噪声，这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。
8、电阻反馈跨阻放大器（RTIA ROIC）RTIA 和CTIA 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关。
此电路无积分功能，故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压，如要提供高的输出增益，需要大的反馈电阻，但大的电阻占用芯片面积大，且不适宜数字CMOS 工艺。
因此，读出电路阵列几乎不用此电路结构。
以上是八种典型读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需求进行选用。
这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。
四、国内外发展状况简述我国非致冷焦平面阵列技术已初步取得进展。
由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定，该项目采用新工艺制备的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。
目前，我国在非致冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。
在美法等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟。
上世纪90年代中期，发展多色焦平面列阵（MSFPAs）的概念得到了美军方的高度重视，并投入大量资金开展MSFPAs 技术研究。
在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器件已达到640×480元的规模，中、短波器件达到了2048×2048的规模，长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。
五、展望根据红外焦平面阵列在军事、民用等方面的要求，未来红外焦平面阵列的主要发展方向为：1、集成化—探测器材料与电路集成，杜瓦与制冷、光.机.电的集成；2、长线列，大面阵3、小型化、重量轻、容易携带；4、双色、多光谱；5、高温化；6、智能化。
