（信息与通信工程专业论文）焦平面探测器的应用与非均匀性校正技术研究.pdf

国舫科掌技术大学研究生院学位论文 摘要 焦平面探测器在现代的很多武器系统中都得到了广泛的应，f j ，它是提高导 弹系统的作用距离、减少系统的体积和重量、提高系统的可靠性的一利，最有效 的途径。本文结合国家的科技预研项目，着重研究了焦平面探测器应用中的一 些问题t 尤其是关于焦平面探测器非均匀性校正技术的研究。 第一章介绍了国际上空空导弹的最新发展，指出了焦平面探测器应用研究 的必要性。 第二章简单介绍了焦平面探洲器非均匀性的物理原因和 平价的方法。尽管 介绍比较简单，但是从这些非均匀性的特点中，可以简单的判断校正方法的有 效性。 第三章主要介绍了各种非均匀性校正方法及其优缺点。 第四章介绍探测器应用系统的硬件情况。 1 第五章介绍了系统洲试的情况以及非均匀性校正方法与残留的非均匀性的 情况。 关键询：红外，焦平面探测彩非均匀硅，非均匀性校- s , 两点校正法，时 域高通滤波法，神经网络龇常统计量约束法( c s 振镜彩残留非均匀性。 1 1 1 嚼簟拧科学技木大学研究生院学位论文 a b s t r a c t o n f o c a lp l a n ea r r a y ( f m ) d e t e c t o r sa r eu s e di nw e a p o ns y s t e mw i d e l y b yu s i n gf p a ，i n f r a r e dm is s i l es y s t e m sa r ed e v e l o p e dw i t hf a rd e t e c t i o n r a n g e 。l o wv o l u m ea n dw e i g h t ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rf o c u s e s o ns o m ep r o b l e m sa b o u tf p aa p p l i c n i o n ，e s p e c i a l l yf p a sn o n g n i f e r m i t y c o r r e c tio nt e c h niq u e c h a p t e r1 i sa ni n t r o d u c t t o nt ot h en e wt r e n do fi n t e r n a t i o n a la i r t oa i rm is s i l e t h ei m p o r t a n c eo ff p aa p p i i c a t i o nr e s e a r c hw a sp o i n t e d o u t c h a p t e r 2i sa s i m p l e i n t r o d u c t i o nt ot h es o u r c e o ff p a s n o n u n i f o r m i t ya n dt h en o n u n i f o r m i t ye v a l u a t i o n m e t h o d s a l t h o u g h t h e i n t r o d u c t i o ni sv e r ys i m p l e ，t h en o n u n i f e r m i t yc o r r e c t i o ne v a l u a t i o nc a n b em a d es i m p l yb yt h ec h a r a c t e r so fn o n u n i f e r m i t y i nc h a p t e r3 e a c hm e t h o do fn o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o ni sp r e s e n t e d i n c h a p t e r4 ，t h eh a r d w a r e o ft h ef p a a p p li c a t i o n s y s t e m i s in t r o d u c e d i nc h a p t e r5 ，t h es y s t e mt e s tr e s u l ti sg i v e i lo u ta n dn o n u n i f o r m i t y c o r r e c t i o ni se v a l u a t e d ，t h er e s i d u a ln o n u n i f o r m i t yi sc a l c u l a t e d k e yw o r d s ：i n f r a r e d o n f o c a lp h m ea r r a yd e t e c t o r ( f p a ) ，n o n u n i f o r m i t y ， n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n t w o p o t n tc o r r e c t i o n ，t e m p o r a lh i g h p a s s f i l t e r ， n e u r a in e t w o r k ，c o n s t a n t - s t a t i s t i c sc o n s t r a i n d i t h e rs c a n n e r ，r e s i d u a i n o n u n i f o r m i t y i v 圃f j j 科学技术大掌研究生院学位论文 第一章绪论 第一节红外成象导引头的国内外发展概况 伴随藿冷战的结束和前苏联的解体，世界性战争的可能性已经微乎其微。 然而地区性冲突的可能性却并未因此而减小，宗救问题、民族问题和领土争端 成为地区冲突的最直接的导火索各国纷纷为此进行充分的准备，加紧研制各 种新式的作战武器。在空空导弹领域内，第四代空空导弹一直是各国研究的重 点。 现代战争中制空权是战争双方争夺的首要目标。海湾战争、科索沃危机 以及正在进行的车臣战斗中都非常明确的表明了这一点。空空导弹正是用以 争夺制空权的重要武器。传统的第三代空空导弹由于其作用距离近、作用范围 小、容易受到各种干扰而逐渐开始遭到淘汰，第四代空空导弹已经开始粉墨登 场。 第三代红外空空导弹以美国的a i m 9 l 为代表，采用的是单元红外探测器 加调制盘的体系这种体系的最大缺点是空间分辨率差。难于区分干扰和目标。 已经不可能对现代先进的战斗机造成很大的威胁。前苏联最先对此进行改进， 研制了p - 7 3 导弹，p - 7 3 采用了多元探测器( 两元) ，在作用距离、作用范围方面 都有了较大改善在抗干扰方面虽有改善，但是仍然不能满足现代战争的需要。 西方世界中以色列在八十年代末研制了怪蛇- 4 ( p y t h o n - 4 ) 导弹t 同p 7 3 一样， 也采用了多元探测器。此后西方世界尤其是美国加快了第四代空空导弹的研制 步伐。以下是西方几种主要的导弹的情况： l 、a s r a a m 1 9 8 2 年欧洲诸国开始联合研制新一代红外成像制导近距空空导弹，取名 a s r a a m ，美国编号a i m 1 3 2 。在1 9 8 9 年德国退出后由英国宇航公司成为主 承包商，a s r a a m 也变成主要为英国空军服务。该弹1 9 9 4 年开始试飞，计划 1 9 9 7 年投产1 9 9 8 年装备部队为参与美国 j m 9 x 的竞争该弹进行了改进 离轴发射角巳增加判大于9 0 。 a s r a a m 由美国体斯公司提供成像导引头导引头成象系统采用1 2 8 x 1 2 8 簟i 翼 菌防科学技术大学研究生院学位论文 元的凝视焦平面探测器- 迎头最大截获距离为1 5 k m ，跟踪场达到9 0 。，头罩 采用半球形式。 2 、m l c a 法国马特拉公司自1 9 8 2 年开始研制中距拦射并兼顾近距格斗的第四代空空 导弹m i c a ，该弹采用可互换使用的主动雷达导引头和红外成象导引头，其 红外成象导引头由法国s a t 公司研制。该弹主动雷达型于1 9 9 1 年首次空中试 飞t1 9 9 6 年服役。 红外成象型f i rm i c a 已于i 螂年进行首次空中发射，计划于1 9 9 7 年 完成研制，1 9 9 8 年服役该弹导引头采用1 2 8 1 2 8 元凝视焦平面成象系统， 离轴发射角为9 0 。，最大射程5 0 k m 。该弹其有中距发射末制导转换为成象制 导模式和近距导弹截获后发射模式，因此具有自动搜索、目标检测与识别、自 动截获与跟踪和制导模式转换功能。 3 、i l u s t 德国b g t 公司退出a s r a a m 计划后提出研制i r i s t 空空导弹，该弹的 研究计划得到德国、加拿大、希腊、意大利、挪威、瑞典的共同支持。b g t 提 供红外成象导引头、处理器和信息处理算法；加拿大联合信号公司提供推力矢 量控制；其它伙伴国负责战斗部、引信、制导组件和火箭发动t j l 珂f 制与生产 全弹组装由b g t 承担。 b g t 将i r i s t 导弹定位在a s r a a m 和a i i v l 。9 x 的低成本替代品，优化在 近距空战范围射程为1 5 公里。i r i s t 导引头采用线列探测器、光机扫描红外 成像系统。据b g t 声称其哭坎度和抗干扰能力并不亚于采用焦平面阵列器件的 导引头；导引头具有9 0 。跟踪场。9 6 年7 月。i r i s t 导引头装在a l m 9 m 弹 体上，战斗部改装为遥洲组件。由f 4 进行了两次大离轴角发射，成功地击毁 了两个拖靶目标 4 、a i m - 9 x 1 9 9 1 年东、西德统一后美军利用原东德配挂p 7 3 的米格2 9 与其装备 a i m 9 u m 的f 1 6 进行的空战对抗演习结果以及欧洲第四代红外空空导弹技 术的发展，促进了作为世界头号军事大国的美国在第四代红外空空导弹的研究 计划，美空海军联合进行a j m 9 x 立项。要求其与世界现有和在研的同类导弹 相比具有大离轴角发射的全向攻击能力，具有更高的目标探测和捕获能力、更 一i 翼 图防科学技术大学研究生院学位论文 大的机动能力和优良的抗红外干扰能力，具有发射前锁定和发射后不管的能力。 美军方还希望a j m 9 x 可以用于中、远程空空导弹，打击地面目标和海上目标， 拦截巡航导弹。 通过h u g h e s 公司和r a y t h e o n 公司的研究验证ta i m 9 x 的基本技术指标 为： 波段：3 5um 图象：1 2 8 1 2 8 成像方式：凝视成像 一 截获距离：1 5 k m ( 兰天背景) 7 k i n ( 地物背景) 跟踪场：9 0 。 机动能力：5 0 9 控制方式：推力矢量 图1 1 h u g h e s 公司的两种投标方案 美国两个空空导弹生产商h u g h e s 公司和r a y t h e o n 公司于9 6 年7 月1 日前 分别向五舶犬楼提出了自己的竞标方案 h u g h e s 公司的方案如图i 1 所示。其基本型导弹( 上图) 的气动外形为英 国空军“b o xo f f i c e2 ”增强型方案。h u g h e s 公司的第二套方案是改进的 国防科学技术大学研究生院学位论文 a s r a a m ，采用推力矢量控制系统和较大的破片战斗部，采用的导引头、引信、 惯性测量元件、电子组件、电源组件和火箭发动机同a s r a a m 导弹近似t 弹 径为1 6 5 m m 。 h u g h e s 公司为a i m - 9 x 提出的导引头方案是a s r a a m 导引头的改进型， 采用1 2 8 1 2 8 元焦平面阵列探测器构成凝视成象系统，探测器固定在弹体上， 光学成象系统安装在两轴稳定平台的框架上，光学头与探测器的光路通过一个 棱镜滑环连接。头罩采用球形略大于半球，允许位标器后视，使位标器跟踪场 略大于9 0 。，导引头具有极高的跟踪角速度，以满足与头盔瞄准具的匹配。 它采用改进的惯性测量系统、t l 公司的基于c 8 0 的多目标跟踪器。 图1 2 r a y t h e o n 的两种投标方案 r a y t h e o n 公司也提出了两套方案如图1 2 所示。r a y t h e o n 公司的基本方 案仍是采用舢m - 9 m 弹径标准，侧窗式旋转视线导引头外径略大于弹体尺寸， 采用了推力矢量控制组件l 发动机和战斗部等部件上最大限度地利用a l m 9 m 的部件。 r a y t h e o n 公司的第二方案采用了p y t h o n 4 的发动机，加装了推力矢量控 制机构t 战斗部与发动机组裟在一起，导引头仍是侧窗式旋转枧线导引头弹 径为1 6 0 m m 。 r a y t h e o n 公司的方案中采用了侧窗式旋转视线导引头，从图中可以看出， 导引头外径在1 2 7 m m 一1 6 0 m m 之间。窗口材辩为z n s ，导引头采用2 5 6 2 5 6 i 直 嗌防科掌挂术大学研究生院学位l 它支 焦平面阵列探测器，具有更高的空问分辨率；探测器安装在内框架组的俯仰框 架上，内框架组为稳定平台，保证光轴在空间保持稳定；光学头在俯仰框架上 作6 0 。的摆动，即在窗口方向作1 2 0 。摆动，导引头整体绕弹轴作3 6 0 。旋转 使导引头的跟踪场可以高达1 2 0 。：为克服导引头旋转的影响，采用了一个滑 环装置进行电源和信号传输。r a y t h e o n 公司声称这种设计具有以下好处：( 1 ) 窗 口材料比球冠整流罩便宜，( 2 ) 气动加热主要在导引头顶部，窗口温升较小，由 此造成的热干扰较小，( 3 ) 导引头窗口仅对准目标，屏蔽了其它方向的破坏性激 光，( 4 ) 倾斜窗口降低雷达波反射率。一： h u g h e s 公司和r a y t h e o n 公司的导引头方案巾均采用数字控制和致字信息 处理系统，利有信息处理系统进行抗干扰处理。在使用焦平面器件时，探测器 敏感元间存在灵坡度非均匀性问题。这将带来虚假信号和背景干扰，为消除由 此带来的影响两系统中均没有非均匀性校正子系统。 经过综合评价，五角大楼选定h t i g h e s 公司的方案，中标的是h u g h e s 公司 提出的基于美国空军“b o xo f f i c e2 ”气动外形的基本型导弹从中可以看出美 国在新型导弹的研究中既要求高的技术指标t 又注意武器系统的连续性、方案 的可靠性和低成本。合同要求a i m - g x 于2 0 0 3 年交付部队( r a y t h e o n 公司现在 已经收购了h u g h e s 公司) 。 除了以上几种外，南非和以色列也在努力开发类似红外成象空空导弹。这 些导弹都采用了红外成象导引头，综合起来看，有以下几个特点： i 、全部采用了熙平面探洲嚣( 线列或凝视) 成象技术。 2 、全部采用了数字图象处理技术达到了比较高的抗干扰能力。 3 、跟踪场达到了9 0 。具有极强的离轴发射能力。 这些导弹应该说代表了当今空空导弹的发展方向，也是我国的未来发展目 标现阶段，我国甸西方发达国家仍有比较大的差距，焦平面探测器的研究和 应用技术都处于起步阶段焦平面探测器的研制和使用是我国今后几年需要突 破的几项关键技术之一。 图 疗科学技术大学研究生院学位论文 第二节熙平面探测器的应用技术 现代红外空空导弹同大多数其它军用或民用红外系统一样采用焦平面探测 器( f p a ) 焦平面探测器尤其是面阵探测器成象具有结构简单，空间分辨率高， 探测能力强，帧频高等优点，所以它正在迅速成为红外成象技术的主流器件。 所谓的焦平面( f p a ) 就是把探测器单元和其必须的读出电路以及前放等 顶处理电路集成在一起的探测器。这种电路形式极大的简化了探测器的接口， 使得探洲器的外围引线达到了最少，减少了杜瓦瓶的制造难度，同时山于前处 理电路的内部集成使得预处理电路处于低温工作状态，极大的减少了电路的 热噪声，同时也减少了系统其它部件对探洲器的干扰。焦平面技术的采用使探 测器的探测能力达到了一个新的高度，目前，国外的红外焦平面器件其探测能 力已经接近了物理理论极限。 由面阵的f p a 器件构成的凝视探测系统，由于去掉了光机扫描机构，减少 了系统的体积和重量同时由于增加了积分时间，理论上可以使信噪比提高n ”： 倍，实际上由于器件会很快饱和，因此不可能提高这么多。但是面阵器件的 电子扫描方式给系统带来了高帧频的优越性从系统角度来说，增加了快速响 应能力。 f p a 虽然具有抿多单元和其它多元器件无法比拟的优点，但是它也存在一 些缺点，最主要的缺点是电荷饱和和非均匀性。在早j i i i 的焦平面器件中这两个 问题曾经非常严重，现在随着工艺的改进，电荷的存储容量已经可以达到1 9 p c ， 这使得探测器的输出动态范围达到了8 0 d b 。 非均匀性一直是一个难于解决的问题，随着工艺的发展也有了较大的改善。 但离完全解决问题还有不小的距离。早期的m c t 探测器和i n s b 器件非均匀性 曾经高达3 0 ，但是现在一般可以达到1 0 一5 或更小。尽管如此，由于m c t 探测器的性能已经接近理论极限其输出动态范围可达8 0 d b ，即便是5 的非 均匀性也已经成为系统性能提高的瓶颈显而易见此时时域噪声要远远小于 空域噪声，对于图象目标检测来说目标检测的依据就是目标象元与背景象元 之问的差异空问噪声将直接影响目标的检测，限制目标的探测距离。而且这 种噪声是固定的t 与闪烁的电子噪声相比其特性与目标特性更加接近，更容易 圃防科学技术大学研究生院学位论文 引起虚警。因此为充分利用探测器的性能，提高系统的作用距离，必须进行非 均匀性校正，彻底消除非均匀性。 如上所述，探测器具有8 0 d b 的动态范围，这同时对探测器的外围电路有 严格的要求。低噪声的电源电路、温度保护电路、低噪声放大电路以及敏模混 合电路的串扰问翘都是探测器应用中的关键问题。 由于我们重点面向空空导弹的应用问题，因此，还有一些特殊的问题需要 解决。首要的问题就是体积受限时电路的小型化问题，这在空空导弹中尤为突 出。第二个问题其实也是由于体积受限引起的。就是机电干扰问题。由于空空 导弹弹径较小t 力矩电机、陀螺电机和探测器都紧靠在一起电机的干扰也就 非常突出- 需要小心解决。 第三节课题的背景和主要研究任务 本课题主要面向空空导弹发展的需要，跟踪国外的先进技术，缩小我国间 发达国家的差距。 课朋的主要任务是研究新一代焦平面探洲器的应用技术，以及非均匀性校 正技术，研究出实用的焦平面探测嚣的应用系统。因此不对一些新理论新技术 作过多研究 瞄防科学技术大学研究生院学位沦文 第二章焦平面探测器的非均匀性 第一节非均匀性的原因与特点 非均匀性( n u ) 指的是f p a 在外界均匀光强照射时各单元的输出不一致t 在图象上表现为空间噪声或固定图案噪声。实际上，由于f p a 不可能脱离系统 而单独存在。因此研究器件本身的非均匀性既不可能也无必要( 当然器件的制造 商是有必要的) 。以下所说的非均匀性都是指包括光学系统、探测器组件( 包括 杜瓦瓶、玲屏、探洲器、读出电路、制冷机等) 、模拟信号调理电路和a d 转换 电路在内的整个系统的非均匀性。 它的来源主要有以下几个方面1 7 i ： l 、探测器中各单元面积的不一致。通常与集成制造时的系统误差有关，其表现 是随机的。这种误差同时带来了加性噪声和乘性噪声，可以通过两点校正法 很容易的进行校正。 2 、探洲器的光谱响应不同。 3 、基底掺杂变化主要依赖基底的生长技术。有可能产生非线性响应和空域噪 声。 4 、泄漏单元( l e a k yd e t e c t o r s ) 。过大的营电流增加了单元的信号。大部分能让人 注意到的亮点都居此类。漏电流也是l ，f 噪声的主要原因。 5 、电荷俘获。如果一个亮点通过图象，可以看到的暗条纹显示了由此而引起的 滞后现象。 6 、探测器单元的l 矿噪声。空域瞄机的。但是幅度随时问的对数而增加。也可 以是校正后f p a 的漂移 7 、读出电路的l f 噪声。其特性同探测器单元的l ，f 噪声类似。 8 、系统的l f 噪声由系统的工作条件漂移而引起。例如：f p a 的偏置电压、 工作温度漂移都可以引起此类噪声。 9 、电荷传输效率。这种非均匀性存在于采用移位读出机构的熙平面阵列r l t ，如 红外c c d 。电荷耦合器件( c c o ) 通过读出控制信号将各阵列元感应红外辐射 所积累的电荷逐个移出至读出节点，每一行或每一列设置一个读出节点。这 图舫科掌技术大学研究生院学位论文 种非均匀性表现为图像平而上的阴影，鼬像索点与阵列读出节点问的距离作 指教变化，距离越大，亮度愈暗，表现为固定的乘性噪声。 1 0 、 灰尘。灰尘会限制一个或几个象元的光学响应。灰尘可以在一个接近焦 点的光学表面或f p a 上。在单色照射情况下，灰尘可以引起衍射现象。 l l 、 水印( w a t e r m a r k s ) 。器件组装时表面条件的一些敏感变化，在f p a 的响 应中产生的变化形成水印。 1 2 、 多路转换器结( m u l t i p l e x e rj u n c t i o n ) 的变化。由于多路转换器的阈值或电 阻的变化引起的行或列的亮度的变化；： 1 3 、 多输出的端口不匹配。有些探测器( 一般是输出像素速率比较大的) 会采 用多个输出端口，在实际中，要使两个或多个端口匹配即使不是不可能的， 也是非常困难的。在图象中会表现出明显的几个区域。 1 4 、 器件温度的变化。f p a 温度的变化会引起暗电流和响应的变化。进一步 讲- 这些变化会产生严重的空间噪声。 1 5 、( c o s ) 4 阴影。由于光学系统入射的能量与象元同光轴的夹角有关，表现 为中问亮，四周暗，呈圆环状分布。 1 6 、 渐晕( v i g n e t t i n g ) 现象。由多个光学孔径对入射光线的限制而引起，例如： 冷屏的限制( 冷屏越小，探洲器的背景噪声也越小，探洲器的性能也越高， 但同时由冷屏和光学系统的不匹配引起的非均匀性也越大1 。 从上面这些原因可以看出非均匀性的成因是多方面的，有些因素是与时间 无关的有些却触着时问的变化而变化另外，有些非均匀性例如光谱响应的 非均匀性随着目标的光谱不同而不同无法进行彻底的补偿。总的来说大体可 以将非均匀性分为以下几类： l 、由光学系统等引起的空问慢变化这类变化表现为较低的空问频率和时 同的稳定性，可以通过校准来进行补偿。 2 、由制造工艺等弓l 起的非均匀性表现为覆盖整个空间频率，基本不f 宜时 间变化，可以通过校准进行校正。 3 、各类l ，f 噪声。表现为较高的空同频率和较低的时域频率，校准只能在 较短的时间内起作用。 4 、光谱非均匀性。测试非常困难，由于目标光谱的不可知性，校正不可能。 埘防科学技木夫掌研究生院学位论文 第二节非均匀性评价 一般情况下，探测器厂商给出的测试结果巾包括了非均匀性的指标，这些 指标包括d cl e v e l 和响应度( 相当于偏移和增益) 以及d 的非均匀性t 这些指 标用百分比的形式给出，它们是标准差同均值之比。这些指标恰当的表达了器 件性能指标的离敞性。由于器件中，非均匀性造成的噪声是决定性的，因此这 种方法对评价整个器件是合适的。 对于经过两点校正的图象本身来说由于非均匀性已经大大降低，而且常常 是背景电平的非线性函数，这种方法则有些难于确切表达系统的非均匀性。对 于成象系统中，图象的背景电平没有确切的意义，因此一幅图象的g p 与另一个 系统产生的图象的o l p 没有可比性。尽管如此这种形式对研究非均匀性校正时， 对比校正前后图象的变化是非常直观的( 保持平均值不变的情况下) 。 对于红外系统n e t d ( 噪声等效温差) 是一个经常采用的指标。n e t d 就是输 出信号等于系统噪声时所照射的温差。n e t d 是一个客观的量，但是我们知道 根据普朗克定律：吼：下2 , , d i c 2 击，黑体的光谱辐射逦量密度与它的温度 之间的复杂关系。单位温差在系统的有效波段内的辐射通量差与特定的温度点 有关系，因此，n e t d 是一个随测试温度变化的量。 由于非均匀校正的方法非常多，其它的校正算法很多是基于场景的，更难 对起作出确切的定量评价。m o o n e y 和s h e p h e r d 在【7 】文中对这个问题进行了探 讨。提出了基于任务的技术t 即针对系统的具体任务，把系统放在任务现场， 观察非均匀性对任务完成的影响来对系统的非均匀性作出评价。同时指出基于 任务完全现场评估尽管是理想的但实际上也是不可能实现的。实验室内的评 估采用比较多的是m r t d ( 最小可分辨温差) 。m r t d 的优点是它是一剃面向应 用的评价方法。它的缺点是它是一种主观的方法，受环境因素和评价者的主观 因素影响。另外这种方法其实评价的是整个系统的整体性能，如果非均匀性校 正残留的空问噪声已经不是系统性能的瓶颈时，它反映的并不是非均匀性残留 的空间噪声，而可能是系统的时域噪声或其它性能。 m o o n e y 同时研究了萋于参考源的技术，指出了百分比形式的局限性，同时 研究了其它的几种表示。但是没有一种比较理想的方法，我没有找到这几种非 瞄聃科学技术- 夫学研究生院学位i 仑文 均匀性指标的详细资料t 在此不能进行更深入的探讨。在本文巾我们将直接采 用a d 转换的量化级和空问噪声等效温差的形式。 图i 方科学技术大学研究生院学位论戈 第三章非均匀性校正技术概述 既然现阶段从制造工艺上无法避免f p 器件非均匀性的产生，那么我们就 必须接受它，并想办法在后处理时对它进行校正。国际上，从七- i 年代开始就 对定标校正方法进行研究，到八十年代进行大量的基于背景算法的研究。当然， 最根本的解决方法是提高制造工艺生产出均匀的器件。 第一节两点校正法 一、基本方法 定标校正是最早采用的校正方法。最先使用的是单点定标校正，以后又发 展使用了两点校正和多点分段校正。 经常采用的定标校正是两点校正方法，应用两点法校正的前提条件有两个。 第一是探测器的响应是线性的。尽管探测器实际的响应是非线性的，但这一假 设在探测器响应的大部分区域误差并不大。只有在输入极小和接近饱和时才有 比较大的非线性，在忽略两蛸误差的情况下可以认为探测器的响应是线性的。 显然，根据两点决定一条直线的原理只须对直线上的任意两点进行定标测量， 即可求出该直线，从而对非均匀性进行校正。第二探测器的响应必须具有时间 的稳定性。从第二章的讨论可以知道非均匀性的大部分因素是时问稳定的，l f 噪声稳定性较差但所占的比例很小，在某些应用中可以忽略。 两点校正公式如下 儿= g ，而+ q ( 31 ) 其中，x 为探测器单元的实际输出值，y 为校正后的值，g 和o 为校正系 数 校正方法基本过程如下： ( i ) 、在黑体沮度t 。时，测得探洲器各单元的响应： 采集m 帧的图象致据，第m 帧u 单元的响应为豫： x ：。= x z ，m ，即为单元( i ，j ) 对温度t i 的黑体的响应。 ( 2 ) 、祛黑体温廑t ：时，测得探测器各单元的响应x ：2 。 l ( 3 ) 、计雠各单元的校正系数： 在考虑动态范围的情况下，为t 。和t ：指定两个标准响应值y ”、y ”。 这两个值理论上可以任意指定，但是由于定点数的表示范围有限，同时要 考虑探洲器的响应范围，指定的值要使定点数的表示范围同探测器的响应 范围匹配。一般情况下可以采用两个响应的帧平均值。然后，计算各单元 的校正系数。 y ”= g 。z 。+ q y r 2 = g 。 o ； 根据方程即可计算出系数 g f f - - - y ”一y ) 肚：2 一x ：) a = t i - - g 。z 1 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 4 ) 、在系统工作时利用( 3 1 ) 式进行实对校正。 ( 3 1 ) 式也可以写为 y q - - - - g 。( ”。 n 。， 两点校正算法的优点有如下几点： i 、两点校正的计算量非常小，校正一个点只需一次加运算和一次乘运算。 2 、两点校正算法可以实时实现 3 、不考虑校准系统时校正算法的实现在体积、重量、功耗方面都比较小。 4 、对目标图象无任何要求 两点校正的缺点有如下结点： i 、需要周期性定标，必需在系统内或系统外添加定标设备加重了系统的 负担。 2 、定标或校准所需的时同可能比较长 3 、由于探测器单元的漂移和响应的非线性，两点校正算法无法将空间噪声 降低副时域嗓声之下。 如果系统的非线性比较严重或者系统对非均匀性校正要求特另0 高时，可以 繁h 羹 图阽科学技术大学研究生院掌位论文 采用多点定标校正。多点校正的理论同两点校正法类似，这g l 就不1 l j 多说。 二、两点校i e 法的误差分析 两点校正法发展到现在应用已经非常广泛。理论问题已经比较成熟。 n e l s o n f 8 i 详细分析了探测单元和读出电路各部分的噪声和非线性，并简单分析 了光谱噪声或色噪声。p e r r y l 9 i , j m 探测器的线性模型。对残留的空间噪声进行 了分析，尽管给出了一个包括光谱响应在内的复杂公式，但是由于一般情况下， 很难得到探洲器单元的光谱响应数据，所以也无法分析具体的探测器的色噪声。 a b r a h a m f r i e d e n b e r 9 1 2 j 从另一方面入手具体分析了校准源的非均匀性误 差和非线性响应对两点校正的残留空间噪声的影响。下面简要给出他的分析结 果： 。 ( 1 ) 校准源的影响 两点校正的公式可以用下式表示： y = 蜊+ 。 s ， 其中，。是探测器单元u 在温度t 时的输出，l d 为低温校准时探测器的输 出h 。为高温时的输出，k 和0 为系统总体的增益和偏置。则有： 艿y u , i , m m 2 志b 成+ 矿i 坛2 螂，f ( 3 s ) 其中；z “2 瓦x g t - i l 。 ( 37 ) 由于可以采用多帧平均来降低h 日和l “的时问噪声，放忽略它们的时问噪 声，只考虑由校准源引起的空间噪声，没 a h = 艿厶= 艿则有z f = 0 5 时 氓一2 彘晒2 + 2 ，1 2 ( 3 s ) 此时t 系统有最小空间噪声，或者说最小误差。 n e l s o n l 。o 给出了一个对校准源的一个参考要求。即对于一个n e t d 为5 0 m k 的系统t 采用的校准源的辐射精度应t - 亥f f ：p0 1 和0 , 2 ( l w i ra n dm w i r ) 。 ( 2 ) 非线性的影响 假定探测器单元的非线性响应如下： 簟蠢 园5 方科学技术大学研究生院学位论文 知= 嘞p ，一b f 尸2 ( 3 9 ) 其中，p 。为入射功率。忽略偏移t 两点校正后为： v ：亟二鱼! ( 3 1 0 ) y “2 丽 u 其中：厶= 吼p 。一统p ： ( 31 1 ) h f = 吼n 一玩一 ( 3 1 2 ) 把和b i 作为两个独立的随机变量，二和b 一为它们的平均值，面和 劢是f p a 中所有的单元的的和b 日标准偏差。则有： 6 yq l 。 胤面m 划2 2 磊瓦i 矿一 其中：z = 万$ - - 万p l ( 原文式巾没有绝对值有误) 式中其它各项均为常数空问噪声与i z ( i 龙) l 成正比， 个w 矸互曲t 1 栉两个常标点盘卜譬$ t - 1 第二节时域高通滤波法 ( 3 13 ) ( 31 4 ) 因此，噪声曲线为一 由于两点校正算法不能校正系统的l ，f 噪声。严重影响了系统的校i e i l i 度t 在很多追求极限性能的应用中( 例如我们现在这样的a t r 系统) 显然是不够的。 为此h o n e y w e l l 公司的p m n a r e n d r a 等人提出的时域高通滤波法i l ”。这种方法 要求探测器系统的增益是均匀的，实际上是不可能的，因此更一般的做法是先 对增益进行定标校正，是增益均匀再通过时域高通滤波来校正系统的偏移。 系统的框图如图3 1 。不考虑增益校正其公式如下： 菌防科掌技术大学研究生院学位i 它文 图3 1 、高通滤波法框图 只( ，) 2 知( ，) 一f , ，d 厂t ) = i i 。) + ( 1 一厂h ) ( 3 15 ) ( 3 1 6 ) 考虑到这时会产生负数不符合一般图象数据的习惯。可以用式( 3 1 7 ) 来替 代式( 3 1 5 ) 。0 为一常数或全帧的平均值，不随像素位置政变。 y f ( ”) 。而( ，t ) 一。“( ，) + d ( 3 1 7 ) 由于l ，f 噪声是一种低频噪声，用这种方法显然可以有效的清除l f 噪声。 时域高通滤波法的优点有如下几点： i 、时域高通滤波法的算法缅单可以实时实施。 2 、不需要定标。 3 、合理选择时间常数空间噪声可以降低到时域噪声的水平。 4 、对低频率的非均匀性以及渐晕效应效果显著。 时域高通滤波法的缺点有如下几点： i 、只进行了偏移的校正。所以需要极好的增益均匀性，或是进行增益的定 标校正。 2 、时域高通滤波法要求视场中的景物做随机运动，否则图象将会退化这 在有些有些应用场合是一个非常苛刻的条件。 3 、这种方法的难点之一是m 值的确定。较小的m 值会较快达到稳定，但 是对景物的随机性要求也更强。反之，较大的m 值会使系统需要较长 时问才能达到稳定，但景物的短时非鼬机的影响也小一些。过大的m 值有可能使系统的稳定时间超过探测器的漂移速度，从而无法彻底补偿 繁1 6 冀 国防科学技木大学研究生院学位论文 系统的漂移。 4 、时域高通滤波法可能会减弱信号。 第三节基于神经网络的非均匀性校正算法 神经网络的方法1 3 i 是在充分研究了人眼的视网膜的视觉反映后提出的。它 模拟了人视网膜对光线的调整反映，同时可以跟踪探测器的增益漂移和偏移漂 移。原理图如下： n e u r a ln e t w o r k n u c o u t p u t i l ) d e n l a y e r p r 0 d 附o f e e d b a c k n u c n e u r o n ( i j ) 图3 2 、人工神经网络法示意图 整个算法是一个叠代过程基本算法是一个两点校正算法，但是增加了一 个隐藏层，计算象元四周象元的平均值，用此平均值来作为该点的真值，对g 和o 进行反馈修正。具体过程如下： 1 ) 输入第n 帧图象，对第n 帧图象进行修正并输出： 繁1 7 更 国防科学技术大学研究生院学位论文 y 。= g ，毛+ q ( 3 i s ) 2 ) 计算邻域平均值作为( ；，j ) 点的真值： 厂。：眵“一+ 只 ，十”。- + j ，w 髟 ( 3 1 9 ) 3 ) 误差函数。 凡( g 。，0 3 = - f 驴j ( 3 z 。) 4 ) 采用最速下降法，对系数进行迭代： g q = g ，一口a 。= g - 2 a x u ( y 。一九) ( 3 2 1 ) q = q z 口a 哆么= 仍一z 口，一) ( 3 2 2 ) 5 ) 回到第一步，对第n + l 帧进行操作。 在另一篇文章 s j q , ，s c r i b n e r 指出在叠代过程中，由于g 和o 的收敛速度 不同可能会导致不收敛，因此提出了对g 的叠代进行归一化，即对式( 3 2 1 ) 中 的x 对全帧的平均值进行归一化，以加强收敛性。 m o o n l 6 i 给出了系统的两种非线性实现形式，并对这三种形式的收敛速度进 行了对比。尽管非线性形式的收敛速度比较慢但是由于取消了两个变量之间 的相乘，因此非常容易利用模拟电路实现，以便实现与f p a 实现集成，这是非 线性实现的最大优点。 神经网络算法的优点有： l 、不需要定标校准 2 、包括增益和偏移在内的校正系数可以经过相对短的时间周期连续更新， 因此对探测器的变化具有更强的适应性。 3 、当背景变化时可以跟踪探测器单元响应的非线性。 4 、空问噪声可以降低到低于时域噪声。 缺点主要有l 1 、算法的计算量比较大，实时实现有困难。 2 、结构比较复杂硬件实现有困难。 3 、由于采用了迭代运算，其收敛性需要小心保证。 簟1 0 奠 嗣舫科学技术大学研究生院学位论文 4 、与时域高通滤波算法类似，这种方法同样要求视场内的景物作l ：i 盘机运 动否则会引起图象退化。 5 、对于空间频率低的非均匀性效果不明显。在一些文献l ”1 中，明确指出该 算法需要先对图象进行两点校正。 第四节常统计量约束( c s ) 法 在时域高通滤波的方法中，采用探测器单元的时间平均值作为其偏移，实 际上就是认为在随机运动的图象中各点的时问统计平均值( 敏学朋望) 是相等 的。推广一下，在随机运动图象中经过一段比较长的时问后，所有的探测单元 具有相同的时问统计特性嚼l 其各阶统计量相等。这就是p m n a r e n d r a t ”1 在 提出统计量方法时的前提假设。 考虑两点校正的模型，对每一个单元我们需要两个参数g 和0 ，我们也只 需要两个方程来求解。考虑一下一阶统计量和二阶统计量有： e - l y = e k 卜g ，k ，| + d ( 3 2 3 ) d 【川= d 乩j = g ：d k 。j ( 3 2 4 ) 这时，尽管已经可以求出g 和0 ，但是，这种形式非常不适合电路实现。 n a r e n d r a 在此进行了变换，不失一般性，由于我们根本无法区分图象中的直流 分量和探测器单元的直流偏移，因此令e x 】= 0 。为便于理解我们采用同样的但 是利于理解的变换，令 毛= 知一e k h j ( 3 2 5 ) 使用变量z 来替代x 。则校正方程( 3 x ) 变为下式： y 口2 g 口劾+ q ( 3 2 6 ) 对此校正方程施加前述的一二阶统计量约束t 适当选取e l y 和d y 使它 们满足动态范围的要求，则可求得新的校正方程： 国防科学披术大学研究生院学位论戈 y 。 k 一日h 】) + 日j ，】 ( 3 2 7 ) ( n a r e n d r a 原文中f i g u r el 和式9 似乎有误，f i g u r el 巾的常数项应在最 后一级，式9 与此相同。) n a r e n d a 给出了偏移校正的框图，系统实现时采用了ii r 滤波器对x 操作 来求得x 的均值( 这种修正偏移的方法实际上与时域高通滤波是完全相同的) ， 当i l r 的时间常数很长时，可以很好的给出x 的均值。 由于( 3 2 4 ) 虽然能求出增益，但是运算比较复杂，难于实时实现，因此 h a r r i s 和y u - m i n gc h i a n g 【1 6 1 【i7 1 对此方法进行改进，不再采用方差，而采用了 ix e x i 统计平均。可以证明，若x 为正态分布，则有： 研i x - j 肛去盯 将常数项同d y 一同考虑，则( 3 2 7 ) 变为下式： 1 ，：蜒! 枷( 3 2 。) 叫h h i 这时，两个平均值可以采用两个i i r 滤波器来实现，如果能够解决除法的 实时实现t 就可以实现整个电路。 因为算法中有除法，实时的数字实现有一点困难。h a r r i s 和y u - m i n g c h i a n g 给出了算法的模拟电路实现，模拟电路的一个最大的好处是有可能与f p a 实现 集成。 这种算法的优点有： l 、完全不需要校准完全基于场景同时对增益和偏移进行校正。 2 、算法的稳定性较好。 缺点主要有： l 、算法中含有除法运算实对实现比较困难，硬件实现则比较复杂。 2 、如果希望得到高精度的结果，系统的收敛时间是比较长的，这也是系统 的一个主要缺点。 3 、场景必需是鼬机的。 4 、场景必需有起伏变化。探测器输出信号的方差中实际上包括了两部分。 一部分是场景信号引起的方差，另一部分则是电子噪音即时域噪声的方差。场 国防科学技术大学研究生院学位论文 景起伏变化小时，电子噪声引起的误差就会加大。 第五节振镜法 前述的各种方法，都有这样或那样的应用条件，其通用性有一定的限制， 为此n s w c d d ( n a v a ls u r f a c ew a r f a r ec e n t e r 。d a h l f r e nd i v i s i o n ) “3 1 开发了 振镜技术对非均匀性进行校正。 n s w c d d 开发的振镜技术的概念如下： 、采用高帧频的器件( 只能采用帧积分式器件) 在高帧频下工作，这样可以 允许在一输出帧的时问内采集多帧图象。 b 、在器件的读出期间利用振镜周期性的扫描模式改变视线一个像素，使得 多帧图象相互之同都偏移一个像素，其扫描模式见图( 3 4 ) 。 c 、设置一个较严格的阈值，监测出性能较菱的盲元，将这些元的输出设为 霉。 d 、对每一帧图象进行两点校正。 e 、对每一帧图象进行数字偏移。使得图象对应的是统一场景( 消除振镜的 扫描偏移) 。 f 、将各帧图象进行点对点叠加。 g 、以探测器帧频i n 的频率输出数据。 o p t i c s 一 图3 3 对系统的修改 第2 t 荑 国防科学技术大学研究生院学位论文 扫描模式 l 1234 l 8766 i 9l o】l】2 l1 6l51 41 3 n s w c d d 利用了r o c k w e l l 的2 5 6 x 2 5 6 m c t 中波探测器的数据进行了仿真。探 测器的使用帧频为4 8 0 h z ，实际输出帧频为3 0 1 t z 。实验表明：如果上面所述的 能够成功的用硬件实现，将可以达到如下要求： a 固定模式噪声和时域噪声减小到原来的1 4