（信号与信息处理专业论文）红外焦平面非均匀校正及图像增强研究.pdf

摘要 摘要 红外技术是2 0 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。而红外探测焦平面作为红外技术的核心 部分，起着关键的作用。近年来，由于非制冷微测辐射热计型红外焦平面阵列的 制造技术有了重大突破，使得红外系统的体积变小、重量变轻、价格不断降低， 极大地推动了红外系统在民事用途的各个领域中的推广。我国的红外技术研究起 步比较晚，与先进的国家还有较大的差距，因此研究红外技术显得紧迫且有意义。 红外焦平面上存在的非均匀性是目前大家广泛讨论的问题，本文先简单介绍 目前红外热成像技术的发展状况，及一些红外探测器分类。分析红外探测器非均 匀产生的原因，对目前国内广泛的应用两类非均匀校正算法做了深入的研究，即 基于定标的非均匀校正算法和基于场景的自适应算法。在此基础上提出了一种改 进的神经网络自适应算法，并将随机信号处理中收敛因子的估算应用到该算法。 其次，为了下一步在硬件上实现神经网络自适应算法，本文在f p g a 开发板 上设计了套能存储两帧红外图像的存储系统。其主要存储器是该开发板自带的 d d rs d r a m 。另外，对红外探测器的特性做了详细的介绍，在常用图像增强算 法的基础上，结合实验室实际的需要，选择了一种线性增强算法和自适应计算均 值相结合的算法，并在此算法上做了一定的改进，对探测器输出的数据做准适应 的图像增强处理，并在f p g a 上将该算法实现。实验结果表明，本文的设计都实 现了预期的目标。 关键字：非均匀校正；f p g a ；图像增强 a b s t r a e t a b s t r a c t i n f r a r e dt e c h n o l o g yi san e wi n v i s i b l er a yt e c h n o l o g yi nt h eb e g i n n i n go ft h e 2 0 t hc e n t u r ya n dc u r r e n t l yi ti sw i d e l ya p p l i e di nt h em i li t a r ya n dc i v i l i a nf i e l d ，s u c h a si n f r a r e dd e t e c t i n g ，i n f r a r e ds t a k e o u ta n ds oo n i n f r a r e df o c a lp l a n ep l a y sa k e yr o l e a st h ec o r eo ft h ei n f r a r e dt e c h n o l o g y r e c e n t l y , a st h em a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f u n c o o l e dm i c r o b o l o m e t e ri n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a yg o tag r e a tb r e a k t h r o u g h ，i tm a d e i n f r a r e ds y s t e m sw e i g h tm o r el i g h t e r , i t sv o l u m em o r es m a l l e ra n di t sp r i c em o r e c h e a p e r i td o e sg r e a t l ya c c e l e r a t et h ep r o m o t i o no ft h ei n f r a r e ds y s t e mt ob ea p p l i e d i ne v e r ya s p e c to ft h ec i v i l i a nf i e l d t h es t u d yo ft h ei n f r a r e dt e c h n o l o g yb e g a n r e l a t i v e l yl a t e i no u rc o u n t r y , s ot h e r ei ss t i l ll a r g eg a pw h e nc o m p a r e dw i t ht h e d e v e l o p e dc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，i ti su 唱e n ta n dm e a n i n g m it od ot h es t u d y w ea l lk n o wt h a tt h en o n - u n i f o r m i t yi ni r f p a ( i n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a y ) i s w i d e l yd i s c u s s e df o rt h em o m e n t 。f i r s t l y , t h ep a p e rp l a n st ob r i e 戤i n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ei n f r a r e dt e c h n o l o g ya n ds o m es o r t so fi n f r a r e di m a g i n g s y s t e m i nm o d e mt i m e s b yt h ew a y , t h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h ec a u s e so f n o n u n i f o r m i t yi ni r f p a ，a n ds t u d i e st h et w os o r t so ft h en o n - u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n a l g o r i t h m si ni r f p ai nt h ec o u n t r y f o re x a m p l e ：t h en o n u n i f o r m i t ya l g o r i t h mo nt h e b a s eo fs c a l i n ga n ds c e n e o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da ni m p r o v e d a d a p t i v ea l g o r i t h mo f n n ( n e u r a ln e t w o r k ) s e c o n d l y , t h ep a p e rd e v i s e sas u i to fi n f r a r e di m a g em e m o r ys y s t e mt h a tc o u l d p u ti nt w of l a m ei m a g e so nf p g a i no r d e rt or u nt h ea d a p t i v ea l g o r i t h mo fn n ，a n d i t sm a i nm e m o r yi sd d rs d r a mw h i c hi so w n e db yt h ed e v e l o p m e n tb o a r d f i n a l l y t h ep a p e rd o e sd e t a i l e dp r e s e n t a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n f r a r e dt h e r m a l i m a g e rt h a ti so f t e nu s e db yt h el a b o nt h eb a s i so f t h ec o m m o ni m a g ee n h a n c i n g a l g o r i t h m ，w h e nc o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so fo u rl a b ，t h ep a p e rs e l e c t sa l l a l g o r i t h mt h a tc o m b i n e sal i n e a re n h a n c e m e n ta l g o r i t h ma n da na d a p t i v ec a l c u l a t i o n o ft h em e a l lv a l u ea l g o r i t h m ，c a r r i e so u tt h ei m a g ee n h a n c e m e n tp r o c e s s i n gw i 壤t h e o u t p u td a t af r o mt h et h e r m a li m a g e r , a n dr u n st h ea l g o r i t h mo nf p g a 。t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a ta l lt h es c h e m e s i nt h ep a p e ra c h i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e yw o r d ：n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n ；f p g a ；i m a g ee n h a n c i n g i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责入或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 兰哩 ，乙 一m _ h 嚣 名f 签 局 人“ 吼 年 声7 移 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，克许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月目解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 兰里 ，畛八 、另j：日 名 f 签 月 ( 人 年 皑明q ， 声 印 第1 章绪谂 第1 章绪论 1 1 红外焦平面技术发展概述 跨入二十一越纪戳来，红外热藏像技术熬发蓑已经历了嚣十余年。按照英特 点可分为四代：第代主要是以单元、多元器件进行光机串并扫描成像：第二 代是以4 x 2 8 8 为代表的扫描型焦平面；第三代是凝视型焦平面；目前正在发展的 可称兔第露哉，以大蘑阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级葱片为主要特 点，其有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。 红外焦平面阵列技术的基本原理是利用热成像的红外焦平面上排列着很多 感光元件薄烈，麸无限远楚发射戆红努线经过光学系统汇聚在系统焦平蘧豹这些 感光元件上，感光元件将接收到的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【6 1 。 由于红癸热成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾麓力强、可全 天候、全天时工作等优点，随蓿红外热成像技术的迅速发展，使得它在军事和民 事领域应用非常广泛：在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、 识别与跟踪；对远、孛、近程军事匿标翦蕊褫、告警、预警与跟踪；红辨戚像嚣 精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统，进行光电对抗等。在民 用领域，在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得 到广泛应震，如纽外技术在变电浩中餐应溺 3 1 ，利震红卦技术测量蔫蓊酒中糖静 含蹙【4 1 ，利用红外光谱分析药物c 5 1 等。 但是现代红外热成像技术在军事应用方面对装备提出了苛刻的要求：重量 轻、体积枣、稳定性好、适应不圈豹工瘁环境温度、全天埃特纂是黑夜条件下戆 应用，可靠性高等。红外探测器技术一直在围绕着上述要求不断完善自翁，而今 天的红外焦平面阵列技术已基本满足了上述的苛刻要求，并极大地提高了军事装 备在战争孛静威力霍终焉雒6 1 。 我国非致冷焦平面阵列技术已初步取得进展。1 9 9 5 年，中国科学院长春光 学糙密机械研究所剩用微机械加工技术研制成功了低成本线阵3 2 x 1 2 8 象元硅 徽测热辐射诗阵列，其噪声等效温差( n e t d ) 隽0 3 k ，存储对离为l m s 。磊壶 中圜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 l 红外焦平面非均匀校正及图像增强研究 2 0 0 0 年1 2 月通过中国科学院上海分院鉴定【7 l 。该项目采用新工艺制备的 。 b a x s r l x t i 0 3 铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。目前我国在第三代红外系 统中的红外焦平面大面积h g c d t e 异质外延以及台面f p a s 等方面已经取得的一 些初步成果l l0 1 。 在国外，美国早在1 9 8 7 年就演示的第一代非致冷热释电探测器所使用的就 是这种铁电薄膜材料。当前以美国、英国、法国为代表得发达国家在单色红外焦 平面器件的技术已经基本成熟，如以2 8 8 4 长波和2 5 6 2 5 6 中波为代表的焦平 面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。2 5 6x2 5 6 元碲镉汞焦平面探测器 已经装备美国a g m 1 3 0 空对地导弹，3 2 0 x 2 5 6 元碲镉汞焦平面探测器在欧洲 s t o r ms h a d o w s c a l pe g 空对地巡航导弹上开始应用。他们在更大规模的凝视型 面阵焦平面探测器、双色探测器方面也达到了很高的水平，如美国预警卫星采用 了6 0 0 0 元的超长线列双色中、短波焦平面器件，美国大气红外深度探测仪采用 了4 0 0 0 元长波扫描焦平面器件【8 】，法国的s p o t 4 卫星采用了3 0 0 0 元的短波扫 描焦平面器件。法国s o f f a d i r 公司研制成了1 5 0 0 元长线列中长波焦平面器件 9 】 等等。总之，红外焦平面阵列技术正在向焦平面超高密度集成探测单元、高性能、 高可靠性、进一步小型化、非致冷和军民两用技术的方向发展。 在未来几年里红外焦平面阵列技术的军事装备应用将会有以下特点【1 7 】：1 、 双波段和多波段红外焦平面阵列机载战术侦察系统，该系统可以从空中昼夜获取 战场情报信息，对获取战场的主动权极为重要。2 、反巡航导弹舰载防御技术一 红外搜索、跟踪和拦截系统，该系统给海军带了很大的威胁。3 、新一代夜视和 瞄准装备，它具有全凝视无光扫描系统，特别是非致冷红外热摄像阵列的成熟进 一步简化了光子低温工作红外焦平面阵列探测器的致冷机构，该系统可以用于精 确打击目标。 1 2 红外焦平面阵列( i r f p a ) 分类 目前在我国的军用和民用上出现了各种用途的红外焦平面阵列( i r f p a ) 探测 器，它们根据不同的性质可以分为不同的类，其主要的分类方式总结如下： 1 2 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 2 第1 章缭论 面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜税瓶斯特林循环致冷器 集成体。壶予背景温度与探测温度之阕的对院度将决定探测器豹理想分蒺率， 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。由于红外探测器是热 成像技术的核心，探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。制冷型红外探测 器的发展经历了三个黔段，褶应的红井燕戒像技术熬发展也经历了三代。 第一代制冷型红外探测器的特征：使用h g c d t c 体材料，多元线列或小面元 矩阵探测器，复杂的光机扫描机构，中、小规模集成电路，简单的信号处理，热 蚕像最多与黑耋电视图像稳当。典型镶予：英国器s p r i t e 探测器秀核心的遗震 组件探测器。 第二代制冷烈红外探测器的特征：使用h g c d t c 体材料和薄膜材料，长线列 或以达到与黑宣电褫霍豫像素褶当黪凝视f p a ，有一定信号处理功麓懿大规模集 成读出电路，简单的光机扫描机构，与第一代相比作用距离和空间分辨鬻有明显 的提离。典型例子：采用法国s o f r a d i r 长波h g c d t c 2 8 8 x 4 扫描型f p a 的探 测器溺。 第三代制冷型红外探测器的特征f 1 4 l ：使用h g c d t e 薄膜材料，长线歹i 或可达 与菇清晰度电视图像像素相当的凝视f p a ，有复杂信号处理功能的超大规模集成 输如电路，蓠单的光规扫描枫构或无舞播辊梅，熟蚕像斡蕊质达妥高清晰电视蚕 像水平。在与第二代探测器大致相同的条件下，作用距离和空间分辨率比第二代 有明显的提高。典型例子：美国s a n t ab a r b a r a 研究中心的l n s b l 0 2 4 x1 0 2 4 凝视 f p a 探测器。 与制冷型探测器相比，由于非制冷型级外探测器具有室温工作、无需制冷、 光谱响应与波长茏关、制备工艺相对简单、成本低、体积小巧、易于使用、维护 窝可靠性菇等撬点，因此形成了一个薪酶富有生命力的发展方惠，萁爵静是懿更 低的成本、更小的尺寸和更辍的重量来获得极好的红外成像性能。 目前豹菲制冷型红羚探测器从传感器的材料上看，分为热释电和微测辐射热 计两种类型。不需要制冷是这两类探测器酶共褥点，也是整槐成本臻显低于制冷 型探测器的原因。非制冷型的爱敏度目前比制冷型的光予探测器阵列如i n s b 、 h g c d t e 低2 至3 个数量级，但对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。 在檑露的阵列单元数帮双察条彳华下，两者翡目撬像覆基本一致，不过，非制冷型 探测器的单元间距略大，随着热绝缘技术的提高可望进一步降低。目前研制非制 3 红终焦乎嚣嚣均像校菱及霾豫壤强骚究 冷技术的两大代表是以德克萨斯仪器公司( t i 公司) 为首的热释电技术和霍尼威 尔公司为首的微测辐射热计技术。 热释电非制冷探测器阵列开拓者是美国t l 公司，现已形成产品，并在军事 和民用方面得到应用。热释电材料具有对应外界入射辐射温差的自发电极化特性 f b 】，需要以适当的频率交替改变入射的场景温度和参考温度，才能不断地获 | 譬目 标探测信号，萁很明显的一个特征是需要使用调制器；另外热释电探测器其有很 宽的红外响应波段。t i 公司开发的钛酸锶钡( b s t ) 陶瓷材料，通常不仅有内在的 热释电特性，还具有熊被电场增强的热电特性。鄄在电场增强的情况下，响应率 有很大的提高。所以每一探测单元都工作在一定的偏压下，并通过与硅工艺的读 出电路混成在一起，铟柱将探测器阵列与分离的读出电路( 由传统的c m o s 硅技 术制作) 连接起来，其中探测元阆昀热绝缘是技术关键之一。在实际应用中，阵 列的温度应被控制和保持一定，才能使探测器的性能最佳，这一工作由热电制冷 器来完成。 圭。2 2 依黧光辐射鼍物质相互作用原理翔分 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弓l 起的光电效应为原理酶一类探测器，利用内光电效 应制成的光子型探测器，是用半导体材料制成的固态电子器件，主要包括光电导 探测器和光伏型探测器等。 光伏型探测器通常由半导体p n 结构成，其原理是拳l 雳p n 结的内建电场将 光生载流子扫出结区而形成信号。当探测器受到光照( 辐照) 、体内发生本征光吸 收时，产生两种带相反电荷的光生载流子( 电子和空穴) 。这两种光生载流子一 开始仅弱限于光照区，隧后由于存在浓度梯度，其中一部分扩散到p i n 结区，在 p n 结内电场的作用下，分别聚集到结的两端，形成电压信号。如p i n 结两端连 成一个回路，形成电流信号。 半导体光子型探测器鲍性能在很大程度上取决于制备探测器所用的半导体 材料。本征半导体材料比掺杂半导体材料更加有用。本征半导体材料既能用来制 作光导型探测器，又能制做光伏型探测器；而掺杂半导体只能做成光导型探测器。 截止波长较长鳃半导傣光子型探测器，大多数必须在较低温度下工作，如7 7 k ， 3 8 k 或4 2 k 。同探测器在室温下的探测率明显低于低温下的探测率。为了保 4 第1 章绪论 持半导体光子型探测器的正常工作，常把探测器置于低温容器( 杜瓦瓶) 中，或 用微型致冷器使探测器达到较低的工作温度。 热探测器是基于光辐射作用的热效应原理，利用探测元件吸收入射辐射而产 生热造成温升，并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最 常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。一般来说，热探测器的 接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性 的限制，因此主要应用于红外区和紫外区，但它的响应率较低、响应速度慢、机 械强度低，近来由于热电探测器和薄膜器件的发展，上述缺点已有所改进。把两 种材料的一结点涂金黑或覆盖上镀黑的薄片，以吸收辐射并引起温升，这一结点 称为热端：而未加热的一端称为冷端。在热端和冷端有温差时，回路中会产生温 差电动势，其数值与辐射量有关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【l i 】。 1 2 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【1 4 】。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，如图1 1 所示。 它是用同一个芯片完成探测和多路传输功能，因其集成度很高，所以费用低廉。 单片型阵列常用p t s i 和非本征硅制成，这些硅类材料非常适用于多路传输，但 是红外探测能力较弱。人们开发的全部使用窄能隙半导体，如h g c d t e 或i n s b 材料做成c c d 结构的全单片形阵列，这样阵列红外探测灵敏度高。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h g c d t e ，读出电 路使用s i 。混成式主要分为倒装式( 图1 2 ) 和z 平面式( 图1 3 ) 两种。 二= = 二 图1 - 1 单片式结构 雇 图卜2 倒装式图l _ 3z 平面式 5 红外焦平面非均匀校正及图像增强研究 1 3 论文主要内容及系统方案 红外探测器技术目前正在向高性能、高可靠性、小型化方向发展。目前国外 对红外成像技术的研究相对比较成熟了，高性能的红外成像装置已经被广泛应 用，由于我国在红外成像技术研究方面起步比较晚，与先进国家的水平还有一定 的差距，但是现在有很多科研机构已经对该技术进行了研究并取得了一定的成 果。本文在非制冷红外成像领域展开研究与设计。其内容概括如下： 1 首先从红外焦平面非均匀性产生的原因开始探讨，研究了目前国内外得 到广泛应用的非均匀校正算法，如基于定标的一点校正、两点校正非均匀算法， 基于场景的时域高通滤波法、自适应的人工神经网络法和均值滤波算法等。最 后提出了基于场景的改进的自适应神经网络算法。并将随机信号处理一书3 1 中收敛因子的估算方法应用于本算法中。 2 为论文将所提出的自适应非均匀性校正算法在f p g a 上实现，由于该自 适应算法需要存储两帧的红外图像。通过对f p g a 的学习，本文深入探讨了d d r s d r a m 存储器的工作原理及d d rs d r a m 控制器的功能。搭建了一套红外图像存储 系统，对x i l i n x 公司推出的v i r t e x - 4 开发板的功能及使用做了细致的研究， 另外还对a v n e t 公司推出的视频卡的功能和使用做了一定的了解。这为以后在 硬件上实现自适应非均匀算法打下一定的基础。 3 由于红外探测器具有器件温度探测区域宽但实际应用温度探测区域窄 的特点，本文对法国u l i s 公司的u l 0 3 0 8 1 型红外探测器的工作原理和各参数做 了细致的分析。概述了目前常用的图像增强算法，在此基础上引用了一种图像 增强算法并加以改进，在硬件上实现了这套红外探测器高速处理数据的图像增 强系统。 4 完成非制冷红外热成像系统的软、硬件调试，给出了调试的部分结果。 6 繁2 肇红羚探溅器 # 均匀校正 第2 章红外探测器非均匀性校正 红外系统在理想情况下，红外焦平面阵列受均匀辐射，输出幅度应完全一样。 但实际上，由于制作器件的半导体材料不均匀( 杂质浓度、晶体缺陷、内部结构 的不均匀性等) 、掩膜误差、缺陷、工艺条件等影响下，蒸输出幅度并不相同， 这就是红外焦平面阵列响应的非均匀性( n o n u n i f o r m i t y ，n u ) 田l 。从噪声的角 度来看，红外焦平面阵列的噪声等于瞬态噪声和空间噪声的总和。瞬态噪声是光 子嗓声、暗电流噪声及读出电路噪声共同作溺的结果。嚣空闻噪声是由红外焦平 面阵列的非均匀性造成的，所以有时也称为固有空间噪声( o r i g i n a l s p a t i a i n o i s e ) 。瞬态噪声可以通过多次求测量值的平均来消除，丽固有空间噪声则不能 通过多次求测量的平均来清除。这种空间噪声会导致在红外图像中产生强烈的视 觉干扰，所以要想办法对这种红外噪声进行处理。 2 。1 葛皇均匀性产生的原因 导致红外图像非均匀性的因素十分复杂【1 9 2 0 1 ，目前人们对于它的来源认识 己经比较清楚，主要是由红外敏感元件( 探测器) 、读出电路、半导体特性以及 放大电路等因素综合影响的结聚。但对其数学描述却大部分局限于经验公式，还 不能完整地建立红外热成像非均匀性产生的数学模型和理论计算公式。下面具体 对非均匀性的产生透素进行分析【2 l 】。 2 1 1 器件自身的非均匀性 、热戒像探测元自身非均匀性 2 4 1 热像探测元自身的非均匀性是红外热成像非均匀性的主要组成部分，根据 m o o n e y 的理论，在均匀照度下，i r f p a 单个探测元的响应输出可表示为： 鹄绣) = 心r 三嵇，芗) 壤( 名) 露2 + b 2 1 岛 篇卜 2 乏 五( 广，劢为物空闻单元在温度f 下的光谱光子辐射；龟( 是攘测元，力的量 7 红外焦平面非均匀校正及图像增强研究 子效率波谱；、吒分别是光学系统截止波长的下限和上限；口，是该探测元的 暗电荷，为积分时间；砀是光学系统的有效透过率：f 撑为成像光学系统的 f 数；2 ，为该探测元相对出射光瞳而言的偏轴角；4 ，是该探测元的有效光敏面 积。受目前的材料制造及工艺所限，i r f p a 器件的材料中会出现掺杂不均、厚度 不等和探测元尺寸达不到绝对平均等各种缺陷，造成不同探测单元之间的4 ，、 d j ，、，7 ：i ( 五) 和只f 等参数的不同，从而引起探测元响应的差异。再者，探测元产 生光生电荷信号须被注入到读出电路实现输出，同样由于材料和制作工艺水平的 制约，各个耦合传输通道的参数也不尽相同，使得探测元和读出电路之间的信号 耦合以及读出电路的电荷传输效率都存在着差异，这些都将引起器件响应输出信 号的非均匀性。一旦i r f p a 器件制造完成，这类由于器件的制造材料及工艺水 平所决定的非均匀性因素将始终存在。 二、红外焦平面阵列外界输入的影响 红外焦平面阵列外界输入的影响。如探测器的偏置电压、偏置电流的不同， 也将造成输出的不均匀性。主要表现为固定加性噪声【2 3 1 。另外，探测器焦平面阵 列的输出通常采用多个放大器对阵列元的响应信号进行放大，由于每一个放大器 的放大倍数和带通特性不可能做到完全相同，所以也将引入非均匀性，它表现为 行间的明暗变化，为固定的乘性噪声。 2 1 2 器件工作状态引入的非均匀性 在红外热成像系统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：焦平面器件的工作环境温度和温度的均匀性、红外探测器的驱动信号的变化 等。红外焦平面探测器的辐射响应性能与它所处的实际温度相关，焦平面器件及 其探测单元的温度均匀性将影响整个焦平面阵列的响应均匀性。同样，红外探测 单元驱动信号的变化也会影响整个焦平面阵列的均匀性。在采用移位读出机构的 焦平面阵列中，例如，红外电荷耦合器件( c c d ) 通过读出控制信号将每个阵列元 感应红外辐射所积累的电荷逐个移出读出节点，每一行或每一列设置一个控制节 点，这种非均匀性表现为图像表面上的阴影，随像素点与阵列读出节点间的距离 按指数变化，距离越大，亮度越暗，表现为乘性噪声。同时，器件工作时半导体 内部电荷的流动引入了i f 噪声，虽然目前对l f 噪声的成因尚未完全清楚，但 8 第2 鬻红终探测器黎均匀校正 通常认为它是由半导体的表面电流所引起的，故又称为电流噪声。l f 噪声为非 平稳的随辊过程，表现莠信号的加性交诧，对热成像豹j 均匀性也有较大影响。 2 i 3 与外界输入相关的非均匀性 在红井藏像系统孛，入射酶鋈据和背景的红磐辐射强度交拖范翼、红乡争熟成 像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 的纽外辐射变化主要由辐射总量和辐射光谱两种形式，由于红外热成像的光谱响 应院较复杂，辐射总量豹晌应均匀性著不麓代表其辐射光谱变纯矗仍然具有穗露 的均匀性。红外光学系统的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 面器彳掌戆磺割和红外热成像系统的设诗审缀难预测和捡验。 总之，影响纽外热成像的非均匀性的因素有很多种，有些因素是不能改变 的，如焦平面各像元响应的非均匀性，有一些是可以改善的，如可以通过设计精 确的温控电路来保证焦平面处予一个僵溢的工俸状态戬减小匿王释环境零| 超鳃 非均匀性。此外人们还利用各种算法，对红外数据进行校藏，取得了不错的效果， 几种常见的算法简介如下。 2 。2 棠用非均匀性校正算法 ， 熟成像的非均匀性校正算法有很多种，但是骞翦还没有找到一种适应性较强 的算法，各种非均匀校正算法都有它酶不是，对该算法的研究总是恧岛某个特定 的条件和工作模式。红外焦平面非均匀性校溅算法主要分为基于定标的非均匀校 正算法( 如一点温度定标算法、= 点温度定标算法、多点温度定标算法 和基于 场景酶叁适应菲均匀校正算法( 如时蠛高通滤波( 疆p f c ) 算法、人工神经鼹络 ( 肘蝌c ) 算法、恒定统计平均( c s ) 校正算法等) 。目前二点温度定标算法和 多点温度定标算法是最为成熟的实用性算法，但是它需要周期性的对它维护，这 给红辨成豫设冬维护工俸带来很多匿难。两基于场景戆菲均匀校正算法不需要对 其周期性的维护，所以人们对它产生了很大的兴趣，目前该算法以神经网络自适 应算法为代表。 9 红终焦乎瑟嚣殇麓校夏及銎缀增强璎究 2 2 1 一点校正法懈1 当热成像探测元的响应度势线性关系时，可以采震一点校正法来校正篡响应 的非均匀性。一点校正法就是在同一辐射条件下把各个热成像探测元的输出信号 校正为一致，即在某一入射辐射下，把不同的热成像探测元输出信号嘞校正 为其平均信号。校王过程分为标定和补偿两步，具体方法是先耀温度为曩的均匀 辐射黑体辐照探测器，得到此时每个探测元的响应输出1 ，求其平均值： = 巧1 胁 2 3 式中为探测器面阵中探测元总的个数。然后用下式求出各单元的校正因 子玟镕： - - t ! = 备 2 4 吖 把各校正因子存入相应的存储单元，这样就完成了不均匀性的标定。再 对探测元的每个响应输出毛进行安时校正，即： y = j = a 4 x 口 2 - s 将实际的探溯元响应信号与各是的校正因予栩乘，即完成非均匀性补偿。一 点校正法仅能在一个定标点处把单元的输出信号校正一致，随着相对子这个定标 点的偏移越大，由于探测器各探测元响应度的非一致性，校正误差也越大。 2 。2 。2 两点校正法 为了克服一点定标校正算法的不足，采用两点定标线性校正算法。不仪对器 件的增益系数做李卜偿，还对偏置系数进行了校正。圈2 1 为强前应用的比较广泛 的硬件实现流程图，应用前提也是探测器具有线性响应。方法是：分别用温度为 ”和翰的均匀辐射的黑体辐照探测器，得到每个探测元的响应输出譬，2 ， 分别在整令焦平面上对其求平均筐： 一“ ，t 1 2 - 6 一v ， 一- - t 2 胁 2 7 工簪f 对每个探测元的空间响应输出进行实时校正： l o 籀2 章红癸探测器嚣均匀校正 弱= 锄一1 ) 弦x - - x + - - x t i = 吩为一 式中， 嘞= 籍嬲於剥蜣嬲繇热 6驴=五t静1-t2 t 2 - - t i 为第个探测元的偏置系数。+ 2 8 图2 1 两点校正算法电路流程图 这种算法诗葬量小，哥以实现实跨授正，除了进行定标井，对霹掭图像菱任 何簧求，在体积、重量、功耗、成本等方面也最为理想，但当温度变他范围较宽 时，由于探测器响应并非严格线性，两点校芷系数口。和b l l 会依赖于所墩的温度 联和粒。在藏豫或测温过程中，当莲标温度偏离露窝霰较丈时，袄据藏有繇 和b l i 得到的校正结果会有很大的误差。所以，原有的和觑系数将不能适应， 需要在当裁环境温度下重新对校正系数进行更薪，绘应用带来不便。 2 。2 3 多点定标分段线性校戚 两点校正算法是基于响应基本线性的情况下进行的，但实际土每个探测竞豹 响应通常情况下呈菲线性，尤其在辐照度交纯范銎较大时，其线性度更差。为了 更好地适应探测器的响应性能，由此出现了夥点定标分段线性校正法。具体操作 是取n 令黑体瀑度捧势曩标溢度( 识：扣l ，2 ，n 。1 ) ，记录相应的探测 元响应僵。然屠采耀最佳平方逼近方法送行麓线撅合，得到探溅器响应的逼近函 红外焦平面非均匀校正及图像增强研究 数，式2 - 9 是采用三点定标的逼近函数： y , j = a o t 2 + 丁+ 勺 2 - 9 图2 2 是其校正示意图，这种算法其实就是将探测元的响应曲线合理地分成 若干段，每一段用两点定标线性校正算法来校正。 q lq 2 图2 - 2 多点定标分段线性校正示意图 这种算法与两点校正法相比，计算量大，并且由于存储多组校正系数，需要 大容量存储器，在校正过程中还需根据背景温度的变化选择合适的校正系数，这 增加了编程的困难。但它原理简单，且有成熟的理论，不存在稳定性问题，比较 容易实现。综合考虑校正效果与实际条件，在目前情况这也是一种比较实用的算 法。 2 2 4 时域高通滤波法 该算法由h o n e y w e l l 公司p m n a r e n d r a 等人提出【2 6 1 ，要求探测元的增益是 均匀的【2 9 1 1 3 0 l ，而实际上这是不可能的。因此一般先对增益进行定标校正，再通 过时域高通滤波来校正系统的偏置噪声。在获取的序列图像帧中，场景的信息是 高频的，而固定图案噪声是低频的，通过低通滤波器估算出图像中的低频噪声， 然后把含有噪声的图像帧减去估计出的低频噪声，从而获得高频的场景信息，达 到非均匀校正的目的。算法原理图如图2 3 所示： 1 2 第2 囊荭终探溅器嚣均匀校正 萋2 3 酎域嵩透滤波法懿算法流程 假设增益补偿后的图像像索输出为嘞( 撑) ，低通滤波厝的输出为石( 雕) ，那么 校正盛戆输赛失魏国 ： 妁( 栉) = 吻( 力一再( ，1 ) 2 1 0 其中， 磊( 嚣) ；型+ g 一与( n - o 2 - 1 1 。 力丹 这里，拧为图像帧数。 时域高逶滤波算法酶优点是；。 1 算法简单快速，可以实现实时校芷，校正过程不需要定标，不影响 系统正常的测量工作。对低频的非均匀性效果显著。 2 。在翟标跟踪上，该算法缀好缝抑制了背景霸嗓声，突毒了移动謦标， 具有很好的效果。 缺点是： 圭。哭进行了编移豹校正，要求系统其有很好豹增益均匀性。 2 该算法要求场景作随机运动，否则图像就会退化，出现伪像。 3 抑制固定图案噪声婀时也抑制丁图像的低频分量，影响图像质量。 2 2 。5 传统入王神经弼络算法 人工神经劂络法是由美海军武器装备研究中心的d a s c r i b n e r 等人提出 潮，麓够完全不对f p a 进孬定括，其校正的原理是裁瘸当前褫场孛酌景象对每 一个光敏元的增益和偏置系数进行连续修溅。它包含两个过程，如图2 4 所示， 1 3 红外焦平面非均匀校正及图像增强研究 隐含层计算某像素的邻域输出的平均值，并作为给定像素期望的理想输出，其作 用是对增益和偏置系数进行自适应修正；校正层( n u c ) 用修正过的系数对像元 的输出进行校正。其中隐含层采取何种自适应算法对神经网络的收敛速度和校正 精度起着决定性的作用。 玎叮p u r s n u c 竺 l y e r t 神l t 0 4 ll i 硼 h l i 图2 - 4 人工神经网络法原理示意图 根据上图，隐含层输出结果可用下式表示： 首先对其计算邻域平均值： = ( t + l + 一l + t + i + x i , j - i ) 4 2 1 2 由上图可知，隐含层反馈到校正层，按照探测单元的线性响应模型，其校正 方程如式2 8 。利用校正层输出与隐含层输出构造误差函数： 勺( 嘞，) = ( 吻嘞+ 一) 2 2 - 1 3 利用此函数的梯度函数和最陡下降法，可以得到计算劬和b l 的迭代公式： 为了书写方便，省去下标 j f ： a n + l = 一2 瓯( 以一z ) 2 1 4 吃+ i = 吃一2 8 ( y 一以) 2 1 5 其中万为下降步长因子，n 为帧数。只要万值足够小，就能保证上式收敛。 再利用线性校正算法，计算校正输出： + i = 口一+ i 毛“+ 玩+ l 2 1 6 可见，传统人工神经网络算法的优点是：不需要定标校准，可以连续更新增 益与偏移的校正系数，而且不受探测单元噪声漂移的影响。其缺点是：1 ，算法 计算量较大，很难实现实时校正，且由于结构复杂，在硬件上实现也有困难，采 1 4 第2 章红外探测器非均匀校正 用了迭代运算，要保证算法的收敛性。2 ，与时域高通滤波算法类似，该算法也 要求场景作随机运动，否则会引起图像退化，出现伪像。 由于传统人工神经网络算法具有自适应的优点，该算法被广泛应用到各个领 域。本节介绍人工神经网络算法用于红外焦平面自适应非均匀校正的具体过程 【3 2 】 0 通常可以把红外成像的过程看作一个线性模型，即红外焦平面阵列中第f 行 第_ ，列探测器的输出响应可以这样表示： x , j ( n ) = k , j ( n ) q , j ( 刀) + ( 刀) 2 1 7 式中：q ：| ( 忍) 为辐射照度，嘞( ，1 ) 为探测器输出，毛( 疗) 和气( 行) 分别为增益因 子和噪声因子，拧表示该时刻。在理想情况下，各探测元的乃( 甩) 都相同，且气( 刀) 为o 。这样，黾( 以) 就可以真实地反映出输入图像。但是在实际情况中，各点的毛( ，z ) 和匆，( 功都不相同，这就引起了红外图像的非均匀性。得不到清晰的图像。所以 可以将上式进行变换： y , j ( n ) = g q ( n ) x q ( n ) + o q ( n ) 2 1 8 式中： 岛( 刀) 2 1 k ，( n ) 为增益校正因子，( 力) - - 气( 疗) 乃( 以) 为偏移量校正 因子，嘞( 刀) 是存在非均匀性失真的像素值，均( 甩) 是经过校正后得到的像素值， 上式表示了对非均匀性失真图像进行校正的算法。基于场景的神经网络法就是根 据非均匀性失真图像不断改变岛( 刀) 和( 拧) ，以达到悬好的校正效果。在传统的 神经网络法中，增益校正因子和偏移量校正因子的调整以校正误差均方值最小为 准则。假设( 疗) 是期望的校正后图像，这里可以将图像的空域平均作为( 刀) ， 定义勺( 力) = 均( 甩) 一石( 玎) 为校正误差。因此它的误差函数定义如下： m ，= 凰】2 2 1 9 t = l 一 根据前面介绍的g q ( n ) = l k 口( n ) ，可知增益因子和增益校正因子应该互为倒 数。在算法的校正过程中，为了保证红外焦平面阵列增益因子均值为1 0 的特性， 必须使得增益校正因子倒数的均值为1 0 。因此特定在原来误差函数的基础上加 一项。本文定义一个误差函数如下： 红外焦十耐非均匀楂f 厦图像增强研究 ，= 善扣+ ”i 一六# 蓦赤| _ ：珈 式中m 和n 分别代表探测器垂直和水平方向的象素数。根据最陡下降法， 得到如下的增益校正因子和偏移量校正因子的迭代公式： g , j ( n + l 心地啪州一赤卜而1 善m 喜赤| 】：圳 o v ( n + 1 ) = “( n ) + 2 u e 9 ( n ) 2 - 2 2 式中：“表示步长h 表示帧数。本文利用3 8 0 x 2 4 0 l w i r c m o s 非制冷集 成微辐射探测器存在的非均匀性，用该算法对其进行红外非均匀校正。实验结果 表明该算法存在校正后图像不稳定和达到收敛时间