（电子科学与技术专业论文）中红外热像仪系统补偿和定标的研究.pdf

英文摘要 a b s t r a c t t h et h e s i sr e s e a r c h e so nm i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e mc o m p e n s a t i o na n d c a l i b r a t i o n ，i td e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h ea l g o r i t h m so fb l i n dp i x e lc o m p e n s a t i o n 、 n o n u n i f o r m i t yc o m p e n s a t i o na n dc a l i b r a t i o n ，i ta l s oe x p a t i a t eo nt h ee x p e r i m e n t so n c o m p e n s a t i o na n dc a l i b r a t i o n i n f r a r e dt h e r m a li m a g e rh a san u m b e ro fa d v a n t a g e s ， s u c ha sd i r e c t l yd i s p l a y i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l d 、w i d et e m p e r a t u r er a n g e 、r a p i d l y s h o w i n gt h et e m p e r a t u r e 、n o n c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dl o wr e q u i r e m e n t s o fw o r ke n v i r o n m e n t ，s oi n f r a r e dt h e r m a li m a g e ri sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ，s u c ha s m i l i t a r y 、s e c u r i t y 、f i r em o n i t o r i n g 、m e d i c a ld i a g n o s t i c sa n di n d u s t r i a li n s p e c t i o n s o ， s t u d y o ni n f r a r e dt h e r m a li m a g e rh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e 3 5l amm i d - i n f r a r e db a n dh a s “a t m o s p h e r i cw i n d o w ”f e a t u r e ，s ot h a ti n c o m p l e t e l yl i g h t l e s sn i g h to ri n b a t t l e f i e l dt h a ti sf u l lo fs m o k ec l o u d s ，p e o p l ec a n o b s e r v et h es c e n ei nf r o n to f h i mc l e a r l y , s ot h e m i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e rh a saw i d e r u s eo fs p a c e ，t h es t u d yt o p i co ft h et h e s i si sm i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r t h ep i x e l si n f o c a lp l a n ea r r a yh a v ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sb l i n dp i x e la n dn o n u n i f o r m i t y , t h e s h o r t c o m i n g sh a v ea ne f f e c to ni m a g eq u a l i t y , w h a t sm o r e ，i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c e t h a te s t a b l i s h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a d i a t i o nt e m p e r a t u r eo ft a r g e ta n dt h e g r a yv a l u eo fi n f r a r e di m a g e s o ，t h ec o m p e n s a t i o na n dc a l i b r a t i o nf o rm i d i n f r a r e d t h e r m a li m a g e ri sn e e d e db e f o r eu s i n gi t t h es t u d yi n c l u d e st h ef o l l o wt h r e ea r e a s ： ( 1 ) f o rt h ep r o c e s s i n go f b l i n dp i x e lo nt h ef o c a lp l a n ea r r a y , u s i n gt h eb l i n dp i x e l d e f i n em e t h o dt os e tt h et h r e s h o l dv a l u ef o rp i x e ld e t e c t i o n , a n du s i n gt h en e i g h b o r h o o d a v e r a g em e t h o dt oa c h i e v et h eb l i n dp i x e lc o m p e n s a t i o n ； ( 2 ) f o rt h ep r o c e s s i n go fp i x e lr e s p o n s en o n - u n i f o r m i t y , u s i n g t w op o i n t t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o d ； ( 3 ) f o rt h ec a l i b r a t i o no ft h em i d - i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r , t h i sa r t i c l eu s e st h e m e t h o dt h a tm i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e rs h o o t sav a r i e t yo ft e m p e r a t u r es t a n d a r d b l a c k b o d y , a n dt h e nc a l c u l a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r o u t p u ti m a g ep i x e lg r a yv a l u ea n dt h em e a s u r e dt a r g e ts u r f a c er a d i a t i o nt e m p e r a t u r e t h i sp a p e rs t u d i e s t h e a l g o r i t h m so fc o m p e n s a t i o na n dc a l i b r a t i o n , u s e s e x p e r i m e n t sm e t h o d s t oa c h i e v et h ec o m p e n s a t i o na n dc a l i b r a t i o no fm i d - i n f r a r e d t h e r m a l i m a g e r i n f r a r e di m a g ep r o c e s s i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p e n s a t i o n 英文摘要 a l g o r i t h m sm a k et h ei m a g eb e t t e ra n de n a b l ep e o p l eo b s e r v e t h em e a s u r e dt a r g e tb e t t e r , a n dt h ea l g o r i t h m si m p r o v et h eq u a l i t yo ft h em i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r t h r o u g ht h e c a l i b r a t i o n ，t h et h e s i se s t a b l i s h e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ei n f r a r e di m a g ep i x e lg r a y v a l u ea n dt h em e a s u r e ds u r f a c er a d i a t i o nt e m p e r a t u r e i ns h o r t ，t h ec o m p e n s a t i o na n d c a l i b r a t i o no ft h em i d i n f r a r e dt h e r m a li m a g e rh a v er e a c h e dt h ei n t e n d e dp u r p o s e k e y w o r d s ：m i d - i n f r a r e dt h e r m a li m a g e r ；b l i n dp i x e l ；n o n - u n i f o r m i t y ；c a l i b r a t i o n 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 8 0 0 年，英国物理学家赫歇尔将太阳光用三棱镜分解开，在不同颜色的色带 位置上放置温度计，试图测量各种颜色光的加热效应。结果发现，位于红光外侧 的温度计升温最快。于是得出结论：光谱中一定存在一种看不见的“热线”，这 就是红外线。我们知道，温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热 运动，并产生热辐射，所以自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外线【i 】。 利用热红外效应，根据被测目标自身各部分热辐射的差异来获得红外热像图 的技术称为红外热成像技术，这种热像图和被测目标表面的热分布场相对应。利 用红外热成像技术，通过探测被测目标的红外辐射，经过光电转换、电信号处理 等过程，将被测目标的温度分布图转换成可视图像的仪器就是红外热像仪。由于 红外热成像技术不随着光照条件的变化而变化，所以红外热像仪在军事、安防和 防火监控、医疗诊断和工业检测等多方面都有着广泛的应用【2 1 。红外热像仪的研究 最早起源于军事，在可视性较差的环境下，装备红外热像仪的战机可对敌方目标 进行跟踪和拦截。随着红外热成像技术的不断发展，红外热像仪在民用领域的应 用也越来越广泛。在黑夜，基于可见光的监测设备不能正常工作，如果采用人工 照明就会暴露目标，而红外热像仪利用目标本身的红外热辐射工作，所以在夜晚 也可正常工作同时不会暴露自己。红外热像仪还可作为有效的火警探测设备，通 过探测物体表面温度，可以快速发现隐火并准确判断火灾地点和范围。在医疗应 用方面，通过接收病人身体的红外辐射，可以对病人身体表面及热区温度进行成 像，从而提供被检测区域的温度对比信息。红外热像仪还可以进行工业生产的管 理，当设备运行在高温、高压环境下时，运用红外成像进行非接触检测，可以准 确地发现安全隐患同时保证了工作人员的安全。 目前，我国红外热成像技术的研究水平落后于世界先进水平，我国红外热成 像产品的核心技术依然被外国人所垄断，而我国红外成像系统的需求量十分巨大。 例如，我国电力系统每年购进红外热成像检测设备款项就不少于1 0 0 0 万美元，国 防及社会治安在这方面投入也非常巨大。根据中国光学会统计，我国红外热成像 第1 章绪论 设备的市场需求总数在4 万台左右，而我国目前年自产量不足5 0 0 刽3 1 。另外，在 军品方面，国外对我国的技术封锁十分严重，如果我们一味地依赖国外进口，一 旦战争开始，必会受制于人，后果不堪设想。总之，在民用方面，国内市场需求 巨大；在军用方面，核心技术的研究迫在眉睫。所以对红外热成像技术的研究具 有重要价值。 红外热像仪的红外热成像技术虽然存在众多优点，并广泛地应用于各个领域， 但红外热像仪也存在下列缺点【4 1 。 1 ) 红外图像存在盲元，并具有非均匀性 由于目前红外焦平面阵列工艺水平和材料特性的局限性，红外焦平面阵列不 可避免地存在盲元。盲元是指响应度过低或过高的光敏像元，在图像中表现为过 暗点或过亮点。盲元也是影响红外热像仪性能的重要元素，如果盲元多而集中， 产生盲区，图像就会出现无响应区域，从而降低输出图像的质量。 同样受到器件材料和制造工艺等因素的限制，使得每个光敏像元的响应率不 完全一致，即使在均匀辐射下输出的图像各个像元也会不一致，也就是说红外焦 平面阵列的各个探测单元的辐射响应随空间位置发生变化，这种现象称为红外焦 平面阵列的非均匀性( n o n u n i f o r m i t y ，n u ) 。非均匀性会导致红外图像质量和成 像效果下降。 2 ) 测量结果受周围环境、器件老化等的影响较大 我们能否用红外热像仪准确地测量出物体的辐射强度分布不仅受到自身参数 ( 如灵敏度、发射率) 和外界环境状态因素( 如水蒸气、二氧化碳、微粒粉尘含量大 小及目标距离的远近) 的影响，还会受到图像处理系统电子元件老化、探测器性能 退化、制冷介质纯度以及制冷器性能等因素的影响【5 1 。在上述诸多因素中，可以人 为控制和调节的是参数设定和环境状态，但仪器本身结构老化引起的测量误差是 很难控制的。 本论文针对上述红外热像仪的缺点进行研究，为了提高红外热像仪的图像质 量，对红外热像仪系统进行补偿和定标。其中补偿包括盲元检测和补偿、非均匀 性补偿；定标是消除器件老化等因素的影响，建立红外热像仪每个光敏探测单元 输出信号值与输入辐射温度值之间的关系。 中红j l 、热像仪系统补偿与定标的研究 1 2 课题研究的现状及意义 1 2 1 红外热像仪系统补偿的研究现状 随着红外焦平面阵列技术的发展，红外热像仪非均匀性补偿、盲元检测和补 偿等技术也相应地发展起来。目前，盲元检测算法有很多，如双参考辐射源现场 自动检测算法、基于“3 0 ”原则的算法和基于窗1 3 的自适应阈值盲元检测方法【6 1 ； 卣，已补偿方面的算法主要有相邻像元替代法、线性插值法、中值滤波法以及邻域 平均和中值滤波相结合的方法。 目前，非均匀性补偿技术的研究主要有基于温度补偿和基于场景的自适应补 偿两类【7 】。基于温度补偿算法是最早应用于红外热像仪的算法，这种算法简单、补 偿效果好，主要有一点温度补偿法、两点温度补偿法，后来又提出多点温度补偿 法。这些方法只能在一定的温度范围内发挥作用，使用范围受限。国外对非均匀 性补偿的研究主要是基于场景的自适应补偿，提出了高通滤波算法、基于神经网 络的补偿算法、卡尔曼滤波算法和恒定统计的非均匀补偿算法。这些算法各有适 用范围，各有优缺点。 1 2 2 红外热像仪系统定标的研究现状 英国国家物理实验室是最早开展定标研究的机构，随后美国、荷兰、德国和 加拿大等国家先后加入研究行列，并建立了低温红外辐射计的光谱响应率标准。 我国从2 0 世纪7 0 年代开展定标的研究，建立了定标系绀引。近年来，各个高校研 究所在红外热像仪的定标上做了大量工作。定标的基本方法是测量一个已知辐射 强度的目标的辐射响应，这个目标一般采用标准黑体辐射源。定标的方法可分为 远距离小源法和近距离扩展源法。 总体来说，我国目前对以上技术的研究落后于国外发达国家，实际研究成果 较小，但具有很大的潜力。 综上所述，红外热像仪系统在使用中存在诸多不足，而人们对红外图像的效 果要求越来越高，对其进行补偿，减小器件的盲元和非均匀性对成像质量的影响； 对其进行定标，建立红外图像灰度值与探测目标辐射温度之间的关系能提高红外 热像仪的工作性能。本文通过对多种补偿和定标算法的研究，选取适用于本课题 红外热像仪补偿和定标的方法，并对其进行补偿和定标实验。该论文的研究对提 第1 章绪论 高红外热像仪成像质量，建立红外图像狄度值与探测目标辐射温度之间的关系具 有重要意义。 1 3 论文结构 本论文共分五章来介绍中红外热像仪的补偿和定标，下面分别介绍这五章的 主要内容： 第l 章是绪论，主要包括课题研究的背景及意义和国内外研究现状，最后介 绍了论文的结构与内容。 第2 章首先从工作原理、成像特征等方面介绍了中红外热像仪，然后详细介 绍了盲元补偿、非均匀性补偿以及中红外热像仪定标的定义、常用方法，最后确 定了本课题所选用的补偿和定标方法。 第3 章详细介绍了本课题所选用的中红外热像仪补偿和定标的方法。 第4 章从实验环境和条件、实验步骤等方面详细介绍了中红外热像仪盲元补 偿、非均匀性补偿和定标的实验并对结果进行了分析。 第5 章是结论，对论文进行了总结。 4 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 第2 章中红外热像仪补偿和定标的原理 2 1 红外热像仪 2 1 1 红外热像仪的工作原理 前面已经介绍，自然界中的任何物体都辐射红外线。红外热像仪通过红外探 测器、光学成像物镜和光机扫描系统( 目前先进的焦平面技术省去了光机扫描系 统) 接收被测目标的红外辐射能量，红外辐射能量反映到红外探测器的光敏元件 上，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能量转换成电信号，此 电信号经过放大处理、转换成标准视频信号通过电视屏或监测器显示出红外热像 图f 9 1 。红外热成像系统的工作原理如图2 1 所示。光学系统的作用是将被测目标发 射的辐射收集起来，经过光谱滤波之后将景物的辐射通量分布汇聚在探测器所在 的光学焦平面上。红外热像仪的核心器件是红外探测器，它能实现光信号到电信 号的转换；电子处理部分对电信号积分、放大处理，并实现图像的输出。红外热 成像系统工作原理如图2 1 ： 图2 1 红外热成像系统工作原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fi n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gs y s t e m 红外热成像技术的发展可以分为三代：第一代是1 9 6 4 年由美国德克萨斯仪器 ( t i ) 公司研制并且成功用于军事领域的红外成像装置，我们称为红外寻视系统 ( f l i r ) ，它是利用光学机械系统对目标的热辐射进行图像分解扫描，然后探测器 接收红外辐射后转换为电信号，形成视频图像信号，非实时记录所测温度分布。 第2 章中红外热像仪补偿和定标的原理 第二代是在2 0 世纪6 0 年代中期，由瑞典a g a 公司和瑞典国家电力局在上一代装 置的基础上，增加了测温功能，称为第二代红外热像仪。随后，红外热成像技术 逐渐发展起来：7 0 年代法国汤姆荪公司研制出不需致冷的红外热电视产品；9 0 年 代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品，这是一种最新一代的红外电 视产品，可以进行大规模的工业化生产，把红外热成像的应用提高到一个新的阶 段。第二代热成像技术最大的进步是采用焦平面阵列技术，大幅度增加探测器数 量，这样无需光学机械扫描系统就能取得目标的全景图像，所以提高了系统灵敏 度和分辨率。第三代热像仪的测量距离可以达到第二代热像仪的两倍，能识别1 0 k i n 以外的目标物比如坦克，且有很强的信号处理能力。目前，国外正在研究第三代 红外热成像技术【l o l 。 我国对红外热成像技术的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代才开始研究；8 0 年 代初，长波红外元器件的研制和生产技术有了一定进步；9 0 年代初，红外成像样 机研制成功，在低噪声宽频带前置放大器、微型制冷器等关键技术方面有了较大 发展；2 0 0 1 年我国第一台非制冷红外热像仪研制成功，并且投入批量生产；近十 年来，随着光学、电子、新材料和图像处理等多个学科的迅速发展，军用和民用 红外热像仪的大量需求以及国家、企业加大投入和技术攻关等多方面原因，我国 红外热成像技术的研究开发能力得到很大的提耐u 】。 2 - 1 2 红外热成像的特征 热红外线( 或称热辐射) 是自然界中存在最为广泛的辐射。它除了存在的普 遍性之外，还有另外两个重要的特性【1 2 】。 1 ) 物体的热辐射能量的大小，与物体表面的温度相关，与物体的发射率有关， 中波有热辐射性，也有热反射特性。人们可以利用热辐射来对物体进行无接触温 度测量和热状态分析，从而为工业生产、节约能源、保护环境等方面提供了一个 重要的检测手段和诊断工具。 2 ) 大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3 5l am 的中红外和8 1 4 i i m 的远红外吸收效果不明显。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗1 2 1 【1 3 】。 利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰 地观察到前方的情况。正是由于这个特点，红外成像技术在军事上发挥了非常重 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 要的作用。本课题就选用了3 。5 um 的中红外热像仪，利用“大气窗口”优势可以 有效地改善红外图像的成像质量和增加成像系统的作用距离。 前面已经介绍，目前的红外热成像技术采用的是红外焦平面阵列( i r f p a ) 技 术，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构成。根据红外 探测器类型的不同，红外焦平面阵列主要有三种：硅化铂( p t s i ) 、锑化铟( i n s b ) 、 碲镉汞( h g c d t e ) 。其中h g c d t e 红外焦平面阵列的发展是最引人关注的，它具有 其他红外探测器材料难以相比的优点：在相同的温度下，h g c d t e 材料热激发载流 子产生的暗电流最小，所以在同样灵敏度要求的情况下，h g c d t e 红外焦平面阵列 可工作在更高的温度下【1 5 】。本课题所使用的中红外热像仪就采用h g c d t e 制冷型 热像仪。 红外热像仪在使用过程中，需要注意以下问题t 1 ) 选择正确的测温范围。测量温度之前，务必要保证设置好正确的测温范围， 不要超过所测量程，否则不仅影响温度曲线质量和测量的精度，热像仪本身元器 件也会受到损坏。 2 ) 确定最大的测量距离。测量温度之前，务必知道测温所需的最大的测温距 离，使得目标图像能够占到光学视场的9 个像素，或者更多个像素。否则，测温 结果的后续处理会更加失真。 3 ) 测温过程中仪器应尽量保持平稳。用热像仪拍摄图像的过程中，如果仪器 发生抖动，势必会影响到图像质量。 2 2 盲元补偿 2 2 1 盲元的定义 对于红外焦平面阵列来说，盲元又被称为失效元，它是指在红外焦平面阵列 器件中响应过高或过低的探测单元。盲元分为两种：死像元和过热像元。通常响 应率小于平均响应率1 1 0 的像元称为死像元；响应率大于平均响应率l o 倍的像元 称为过热像元【1 6 1 。 根据盲元的定义，盲元与正常像元在响应特性上有很大差异，红外焦平面阵 列的像元温度响应曲线如图2 2 所示。 第2 章中红外热像仪补偿和定 ，j j 的原理 t e m p e r a t u r e k 图2 2 像兀温度响应曲线 f i g 2 2t e m p e r a t u r er e s p o n s ed i a g r a mo fp i x e l s a 和c 分别表示过热像元和死像元的温度响应曲线，其响应不会随着探测单 元温度的变化而改变，b 表示正常像元的温度响应曲线，在较窄的动态范围内，像 元响应和温度是呈线性关系变化的。 对红外焦平面阵列性能影响很大的因素是盲元的数量及其分布，如果盲元的 数量过多，在没有经过任何处理的输出图像中将会出现大量的亮点或者暗点，这 样就会严重地影响图像的视觉效果，因此在对红外图像进行非均匀性补偿之前应 先对盲元进行检测和补偿。盲元补偿的目的在于剔除过亮或过暗的像元，提高红 外焦平面阵列的成像质量，提高视觉效果，因此具有很高的应用价值和意义。 2 2 2 盲元产生机理 在中红外热像仪中，盲元主要是由以下两种因素产生：一是由于器件本身的 问题导致探测单元失效而产生盲元，这种盲元称为器件级盲元；另一种是在信号 传递过程中，在红外热像仪电荷读出及电子成像过程中由于通道障碍使有些探测 单元信号衰减而形成的盲元，这种盲元称为通道级盲元。通道级盲元具有随机性， 对于它们的检测是无法预先定位的。盲元的具体产生机理如下所述【1 7 1 。 1 ) 由于生产器件时物理损坏而产生的盲元，即器件级盲元，这种盲元在器件 出厂时标定。 2 ) 由于制作过程的随机性，如材料掺杂不均匀等原因，导致红外焦平面阵列 的各探测单元的暗电流的不均匀和光电转换特性曲线不一致等，当这种不一致性 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 过大时就会产生盲元。 3 ) 1 厂噪声( 电流噪声) 的影响会导致探测单元性能恶化，从而产生盲元。 4 ) 像元信号在经过读出电路时受到通道障碍的影响而衰减，从而形成盲元。 5 ) 工作环境温度影响探测单元的稳定性，也会导致盲元的产生。 以上后四种为通道级盲元。 2 2 3 盲元补偿方法的介绍 通过前面的介绍可知，盲元在所有的红外焦平面阵列中都是不可避免的。对 盲元的处理主要从盲元检测和盲元补偿两方面进行。 盲元检测是对盲元进行准确定位，如果盲元检测不准确，盲元补偿也会受到 的影响。盲元补偿的方法目前主要分为两大类：时间补偿法和空间补偿法。时间 补偿法借助图像序列帧与帧之间的相关性，从相邻帧获取该帧的补偿信息来补偿 盲元帧。该方法的优点主要在于能够很好保持图像边缘细节信息，但缺点是对帧 的前后依赖性比较强。空间补偿法是利用盲元周围的像元信息对其进行补偿，用 相邻像元值来补偿盲元像元，一般都使用平滑滤波的方法，如中值滤波、邻域平 均等。该方法的优点主要在于可操作性强、流程简单【1 引。 中值滤波法基于图像滤波器包围的图像区域中像素的排序，它将盲元像元邻 域内灰度的中值代替该像元的值【1 9 1 。中值滤波法是假定噪声以孤立的点的形式出 现，这些点对应的像元很少，而图像则由像元较多、面积较大的小块构成，它是一 种非线性处理技术，如窗口选择不好的话，在抑制噪声的同时也会抑制有用信号。 邻域平均法是由盲元像元邻域内的各像元灰度值的平均值来代替该像元原来 的灰度值。本课题采用邻域平均法对盲元进行补偿。该算法的具体实现详见第3 章第1 节。 2 3 非均匀性补偿 2 3 1 非均匀性的定义 由于制作器件的材料缺陷性，以及其中掺杂着的非均匀性和生产工艺控制的 不稳定因素等会造成红外焦平面阵列的不同探测单元在同一均匀辐射下，其输出 的信号幅度会产生不同，这就是红外焦平面阵列的非均匀性。非均匀性补偿的最 第2 章中红外热像仪补偿和定标的原理 终目的在于保证焦平面阵列各个探测单元的输入若是一样的，则输出也是一样的。 2 3 2 非均匀性产生机理 1 ) 器件自身非均匀性 探测器自身的非均匀性是造成红外图像非均匀性的主要原因。导致这种非均 匀性的原因，与材料质量、工艺过程等有关。如掺杂浓度、表面态密度的不均匀 性、栅极氧化物厚度的变化等引起的阈值电压的变化等，这些非均匀性的来源一 般难以避免。探测单元的尺寸差异所引起的有效面积的不一致性也是非均匀性产 生的因素。这与工艺过程有很大的关系，除了制版、光刻精度等影响探测单元的 面积外，往往腐蚀工艺的控制好坏也直接影响探测单元的面积。材料的不均匀性 对响应变化的影响也十分明剧2 0 1 。 2 ) 器件工作状态引入的非均匀性 在红外热像仪的性能中，与红外焦平面器件的工作状态相关的主要参数有焦 平面器件的环境温度和工作温度、红外探测器及读出电路的驱动信号等。焦平面 探测器的辐射响应性能与它所处的实际温度相关，焦平面器件的温度均匀性影响 整个焦平面阵列的响应均匀性。同样，红外探测单元及其读出电路单元驱动信号 的变化也会影响整个焦平面阵列的均匀性。这类非均匀性主要由焦平面器件的工 作状态所决定。同一个焦平面在不同的成像系统中，或在不同的工作环境中都会 表现出不同的非均匀性特征。另外，半导体内部电荷的流动即电流噪声对探测器 件的非均匀性也有较大影响。 3 ) 外界输入的相关非均匀性 在红外热像仪中，目标和背景的红外辐射强度变化范围、红外热像仪光学系 统的背景辐射等外界特征均会对焦平面器件的非均匀性产生影响。景物的红外辐 射变化主要为辐射总量和辐射光谱两种形式，由于红外探测器的光谱响应比较复 杂，辐射总量的响应均匀性并不能代表其辐射光谱变化后仍然具有相同的均匀性。 红外光学系统背景辐射条件的变化将直接影响红外探测器所处的工作环境、工作 参数和工作性能。这类非均匀性与实际外界条件密切相关，在焦平面器件的研制 和红外热像仪的设计中很难预测和检验。 4 ) 光学系统的影响 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 如红外光学镜头的加工精度、摄像镜头对光轴的偏转角度等。 红外图像的非均匀性一般较大，对红外图像质量有着严重的影响，如不进行 补偿，目标图像很难从背景中分辨出来。因此，必须进行非均匀性补偿。 2 3 3 非均匀- 陛补偿常用方法 非均匀性补偿常用的方法主要分为两大类：线性补偿方法和非线性补偿方法。 线性补偿方法主要有一点温度补偿法、两点温度补偿法和多点温度补偿法等；非 线性补偿方法主要有时域高通滤波法和人工神经网络法等。目前线性补偿相对于 非线性补偿来说在技术上较为成熟。下面简要介绍一点温度补偿算法。 一点温度补偿算法是最早出现的一种非均匀性补偿的算法，它使用的前提是 假设红外焦平面阵列所处的环境温度变化很小。一点温度补偿算法是指在某一均 匀的辐照度下，将各个探测单元的输出信号校正成为某个一致的信号【2 l 】。通常情 况下，补偿后的信号为所有探测单元响应输出的平均值。 ， 首先我们假设焦平面阵列的探测单元为线性的响应模型，即： ( 办) = g v 。唬+ 岛 ( 2 1 ) 其中，九为通过探测单元入射到第( f ，j f ) 个探测单元的辐射通量，( 九) 为第 o ，j ) 个探测单元的响应输出值，q 为第o ，力个探测单元的增益系数值，q 为第 ( f ，j ) 个探测单元的偏移量值。图2 3 为这种算法的示意图。( a ) 表示没有经过校正 的探测单元输输出曲线；( b ) 表示经过一点温度补偿算法校正后的输输出曲 线。 vv ll 3 i i 一 ( a )( b ) 图2 3 一点温度补偿算法示意图 f i g 2 3d i a g r a m o fo n ep o m t e m p e r a t u r ee q u a l i z a t i o na l g o r i t h m 第2 章中红外热像仪补偿和定标的原理 针对红外焦平面增益系数的不均匀性和偏移量的不均匀性两种情况，一点温 度补偿算法分为两种：增益系数不均匀补偿和偏移量不均匀补偿。 1 ) 增益系数不均匀补偿法 选择辐射通量办为定标点，对焦平面阵列的所有m x n 个探测单元的输出响应 求平均值。 丐c 舻专击善善w ， 协2 ， 然后将所有探测单元的输出响应校正为平均响应值矿( 珐) ，从而求出每个探测 单元的补偿因子： = 巧( 破) 几( 办) ( 2 - 3 ) 求出补偿因子口。后，就可以进行非均匀性补偿了： 巧( 矽) = 巧( 妒) ( 2 - 4 ) 其中，( 矽) 为第( f ，j ) 个探测单元的响应输出值，巧( 矽) 为第( f ，) 个探测单元 经过增益系数不均匀补偿法补偿后的响应值。 2 ) 偏移量不均匀补偿法 选择辐射通量办为定标点，对焦平面阵列的所有m 个探测单元的输出响应 求平均值如公式( 2 2 ) 所示。然后将所有探测单元的输出响应校正为平均响应值 y ( 办) ，从而求出每个探测单元的补偿因子： a 口= 圪( 办) 一( 办) ( 2 - 5 ) 求出补偿因子人扩后，就可以进行非均匀性补偿了： 巧( ) = 屹( ) + 人l ， ( 2 6 ) 其中，屹( ) 为第( f ，d 个探测单元的响应输出值，巧( 矽) 为第( f ，_ ，) 个探测单元 经过偏移量不均匀补偿法补偿后的响应值。 通过前面的介绍，我们发现一点温度补偿法只能分别对探测单元响应的增益 系数不均匀性和偏移量不均匀性进行补偿，针对性虽然较强，但是在实际系统中， 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 两者往往是同时存在的，一点温度补偿法就很难兼顾两者。另外，采用一个定标 点补偿会使补偿范围变得很小，当目标场景的辐照度距离定标点比较远时，空间 噪声很大，补偿效果也就会变得很差。 两点温度补偿算法是在一点温度补偿算法的基础上提出来的，它的提出很好 地解决了一点温度补偿算法的缺陷，它可以同时对增益系数的不均匀性和偏移量 的不均匀性进行补偿，其在工程实践中得到了广泛的应用。本课题采用的是两点 温度补偿算法，算法的具体实现详见第3 章第2 节。 2 4 定标技术 2 4 1 定标的定义 定标是建立起中红外热像仪探测单元输出信号的数值和该探测单元实际探测 到目标辐射温度值之间的定量关系【2 2 】。 定标的基本方法是在暗室里将标准黑体设定成不同温度，用中红外热像仪拍 摄此标准黑体，记录不同辐射温度下的热图像，同时记录拍摄时标准黑体的温度 值。最后分析探测单元输出的灰度值与其所探测到的标准黑体辐射温度值之间的 关系，获得红外焦平面阵列中像元响应灰度值与所探测到的辐射温度的关系式。 实际应用时，用中红外热像仪拍摄被测物体，获得其热分布图，记录出测量点的 灰度值，利用上述灰度值和辐射温度值之间的关系式，即可以求出被测点的辐射 温度。 中红外热像仪工作了一段时间后，有可能因为内部零件热损耗、能量传输装 置长期工作等原因，使其测量精度受到一定的影响。为了克服这样的问题，使热 像仪始终保持准确的测温精度，需要定时对热像仪进行定标，使其能够发挥最好 的功能。所以，热像仪的定标也是本课题的一项重要内容。 2 4 2 定标常用的方法 定标的方法分为以下两种：远距离小源法和近距离扩展源法【2 3 】。 1 ) 远距离小源法。采用远距离小源法进行定标，标准小黑体放置距离红外 热像仪一定距离，对黑体图像所覆盖的焦平面阵列的探测单元进行定标研究。 设定标黑体的面源面积为丛，与其相距，处的热像仪产生的辐射照度为： 第2 章中红外热像仪补偿和定标的原理 e ：l b c o s 9 a s c o s0 ( 2 7 ) ， 式中：厶为辐射亮度：厶( 一五) = 昙r 却，目为像元表面法线，z 与 ，的夹角，9 7 为探测器面上的入射角。 假设矽= 矽= 0 ，则有： e = l b a s r 2 ( 2 8 ) 热像仪辐射照度响应为： r 7 = v l b a s r 2 】 ( 2 - 9 ) 2 ) 近距离扩展源法。红外热像仪照射标准黑体，将标准黑体放置在距离红外 热像仪较近的距离之内，排除外界环境及背景的影响，可以对焦平面阵列的每个 像元进行定标，本课题主要运用近距离扩展源法进行定标，采用红外热像仪照射 不同辐射温度标准黑体的定标方法。算法的具体实现详见第3 章的第3 节。 中红外热像仪系统补偿与定杯的研究 第3 章中红外热像仪系统补偿和定标方法研究 3 1 盲元检测和补偿 3 1 1 阈值法进行盲元检测 通过2 2 1 节的介绍，我们知道，盲元是指像元响应率小于焦平面阵列平均响 应率1 10 或者大于平均响应率1 0 倍的像元。像元响应率是指焦平面阵列在一定帧 周期或行周期的条件下，在动态范围内，每单位辐射功率产生的输出信号电压。 平均响应率是指焦平面阵列各个有效像元的像元响应率的平均值【2 4 1 。 在实际应用中，对中红外热像仪的每个像元测量其输出电压响应是比较困难 的。本课题使用的中红外热像仪以数字图像形式反映所测目标的辐射温度值，所 以我们采用判别图像灰度值的方法来进行盲元检测。同时为了保证盲元检测的准 确性，需要采用红外热像仪拍摄均匀目标成像，如果对辐射度均匀的标准黑体进 行拍摄，除盲元点外，其余各像元点的响应特性大致相同，这样我们就可以将图 像的灰度值平均值作为检测盲元的依据，采用比较图像灰度值平均值和各个像元 的灰度值的方法来确定盲元的位置，所以本课题采用中红外热像仪拍摄标准黑体 的方法进行盲元检测。 本课题使用的中红外热像仪输出的数字图像格式为r a w 格式，r a w 格式图像 为红外热像仪拍摄输出的原始图像，是1 6 位图像。盲元检测时，图像输入m a t l a b 中格式为：高1 4 位有效，低2 位为0 ，所以灰度值范围为0 - - 6 5 5 3 2 。根据盲元的 定义取图像平均灰度值的1 1 0 和1 0 倍作为判定盲元的下限阈值和上限阈值进行检 测效果。另外，为了使盲元检测的效果达到更好，在实验中，将标准黑体设置成 合适的辐射温度，使其在中红外热像仪中的成像灰度值处于适当的灰度值范围位 置。按照上述方法检测出盲元后，将其在红外焦平面阵列中的位置记录下来，生 成一个盲元点查找表，以各盲元补偿使用。 在盲元检测的过程中，还要注意为了减少随机噪声的影响，提高盲元检测的 精确度，采用同一条件下，进行多次实验，获得多组数据，然后取平均的方法。 另外，在红外热像仪拍摄标准黑体的时候，使标准黑体的成像充满整个视场，这 样就可以对整个红外焦平面阵列的盲元进行检测。 第3 章中红外热像仪系统补偿乖定标方法研究 3 1 2 邻域平均值法进行盲元补偿 盲元点检测完成后，下一步我们要进行盲元的补偿。通过2 2 3 节的分析可知， 本课题采用邻域平均值法来进行盲元补偿。 邻域平均值法是根据相邻像元的响应相关性对盲元位置的信息进行替代的方 法。中红外热像仪主要是对目标景物实时成像，根据图像信息理论，其相邻点的 图像数据具有极高的相关性【2 5 1 。根据插值理论，对于一幅图像，可以采用一个像 元点的前后两个像元点或其相邻的多个像元点对该点灰度值进行插值补偿。邻域 平均值法正是利用盲元点周围像元的平均值来替代盲元点输出的原理进行盲元的 补偿，但随着插值点数的增多，算法的实现难度也随之增大。为了达到简化且有 效的目的，本课题采用邻域8 像元点补偿的算法来完成对盲元的补偿。具体的算 法要点如下： 1 ) 八个邻域像元点的选取。如果p ( i ，) 是盲元点，h f l ，一1 ) 、以f l ，) 、 p ( i - 1 ，j + 1 ) 、p ( i ，j - 1 ) 、p ( i ，j + 1 ) 、p ( i + i ，j - 1 ) 、p ( i + i ，j ) 和p ( i + 1 ，j + 1 ) 都是其 相邻点并且都不是盲元点时，可以用这八个像元点完成盲元的补偿；但是当这八 个像元点出现盲元时，则需要向前或向后递减或递加一点来替代，例如若尸( f ，j 1 ) 也为盲元点，则用p ( i ，j 一2 ) 来代替它，以此类推。 2 ) 邻域内加权系数的选取。加权系数的选取与相邻点和盲元的相关性有关， 本文认为8 个相邻像元点对盲元点的信息贡献是相同的，所以加权系数均为1 8 。 邻域平均算子阵列日如式( 3 1 ) 所示： r 1 11 日：三i1 0l i ( 3 1 ) 8 il 11i g ，( f ，j ) 表示第f 行，第，列像元的灰度值，所以盲元点补偿后的灰度值表达式 如式( 3 2 ) 所示： q 翼坐型型进型艘盟譬譬世盟坚嶝鳢删( 3 2 ) o 3 ) 对特殊像元点的处理。前面介绍的都是一般位置的像元点，在焦平面阵列 中还存在特殊位置的像元，即第一行、第一列、最后一行和最后一列上的像元。 这些位置上的像元不存在8 个邻域像素，所以对这些特殊位置处的盲元就不能按 中红外热像仪系统补偿与定标的研究 照公式( 3 - 2 ) 采迸仃处理。以第一歹0 上的像兀为例介缁对这些像兀点的处理。设 红外焦平面阵列有脚行、刀列，第一列上的像元分成三类：第一列第一行处的像元 甩d 、第一列最后一行处的像元励 1 ) 和第一列其它行处的像元愚1 ) 。如果判断这 些位置上存在盲元，则盲元补偿后的结果分别为： q o , o ：盟丛掣 ( 3 - 3 ) q 帆d ：业地塑望幽( 3 - 4 ) q ( f ，d 笪堂哩盟丝掣塑盟! 塑幽 ( 3 5 ) 4 ) 当盲元点临域内8 个点中有其他盲元点存在时，判定盲元点坐标之后就 不再取这个临域盲元点的灰度值对中心盲元点进行补偿，只选取其中非盲元点的 灰度值取平均值对中心盲元点进行补偿，如果盲元点临域8 个点均为盲元点，以 盲元点所在行最近的两个非盲元点与中心盲元点的距离进行插值补偿，充分利用 了距离越近的点之间相关性越大这一性质。 在对红外热像仪的输出图像进行盲元补偿的过程中，要依次对焦平面阵列的 每个像元点进行扫描，通过查看盲元的查找表判断该像元点是否为盲元。如果是， 利用公式( 3 2 ) 或特殊位置处像元点盲元补偿的公式对该盲元进行处理；如果不 是，继续扫描下一个像元点。直到扫描完所有的像素点，从而完成盲元点的补偿。 3 1 3 本节小结