非制冷红外图像非均匀性校正在FPGA的技术建设

1、非制冷红外图像非均匀性校正在FPGA的技术建设中图分类号：TN91934 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2012）22006203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（InfraredFocalPlaneArray，IRFPA）器件各探测单元响应特性之间普遍存

2、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

3、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：Y1=

4、1MxN∑Nj=0∑Mi=0XT1ij，Y2=1MxN∑Nj=0∑Mi=0XT2ij 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3x3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）。基于参考辐射源的非均匀性校

5、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

6、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

7、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XT1ij；（2）在黑体温度为T2时，测得探测器第ij单元的响应XT2ij；（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：XT1ij=GijXT1ij+Qij，XT2ij=GijXT2ij+Qij 由上式可得：Gij=YT2YT1XT2ijXT1ij，Qij=YT1GijXT1ij 所以任意单元的校正方程为：Yij=GijXij+Qij 由校正方程可以看到通过对每一个像元乘上一个增益Gij，

8、然后加上一个偏差Qij，就可以完成像元的校正。两点定标线性校正算法侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正，它需要对2个定标点进行测量，对每个探测器单元得到2个校正参数。该算法不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校正，校正的动态范围比一点定标线性校正算法明显增大。如果探测器单元的响应具有较好的线性度时，通过两点定标线性校正算法来进行非均匀性校正，可以获得较好的校正效果，且在两个定标点上的校正效果最好。该算法存储数据量和计算量都较小，对每个探测单元只需存储两个校正参数，完成一次乘法和加法，所以算法用软件或硬件都易于实现。由于两点定标线性校正的两个定标点温度差异较大，当探测器工作在偏离定标点温度较

9、远的环境时，探测器两点定标输出的常温测量值将会产生一定偏差，红外图像背景值偏高或偏低，表现为红外图像背景偏亮或偏暗，并出现轻微斑块。本系统结合一点定标校正与两点定标校正方法，将两点校正与一点校正结合，即两点加一点校正，在高低温黑体辐射两点校正的基础上再与常温黑体辐射进行一点校正，对器件的偏置补偿做进一步修正，使常温黑体辐射下各像元的响应数据一致，令红外图像背景更加干净（如图4所示），常温黑体用镜头上的黑体挡板充当。红外图像的非线性校正采用高、低温黑体的两点校正，并通过常温黑体进行偏移量的再次修正。通过红外镜头内黑体挡片的移动获取常温黑体温度值，对该常温黑体温度值的每个像素利用上面的校正增益和初

10、步校正偏移量进行两点校正，将校正值与未校正值结合进行一点校正求取校正偏移量，该校正偏移量也被写入FPGA的双口存储器中待用，以上操作由Nios软核CPU完成。实时红外图像采集进来后，首先根据校正增益上的盲元标记判断相应像素是否为盲元，盲元将被周围8个像素的平均值代替，盲元替换后的红外图像与双口存储器中的校正增益和校正偏移量进行两点校正运算得到校正过的图像数据（如图5所示）。图5红外图像校正流程图这些运算由FPGA内的嵌入式硬件乘法器配合进行，运算速度快，保证了图像的实时性。图6非线性校正的部分Matlab程序及生成的模块3实验结果分析图7是探测器非均匀性校正前的输出图像，能够发现图像存在明显的纵向条纹噪音，图像主要由噪声及盲元组成，图像的主体显示不清，背景偏亮；右边是通过非均匀校正处理后的图像，校正算法很好地去除了盲元和条纹噪音，同时背景亮度有一定