一种红外焦平面阵列非均匀性校正的新方法

1、SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSVol.29No.2Apr.2008光电技术应用一种红外焦平面阵列非均匀性校正的新方法代少升,张天骐(重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065)摘要:为了解决红外焦平面阵列非均匀性实时校正难题,提出了一种利用存储器的函数变换功能来对红外焦平面阵列非均匀性进行实时压缩校正的新方法。详细阐述了存储器压缩校正的原理和实现过程,并给出硬件实现框图,最后给出了实验结果。实验表明该校正方法电路简单、校正效果理想、容易实现实时校正。关键词:红外焦平面阵列;非均匀性;存储器压缩校正中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:1001-5868(

2、2008)02-0276-03ANewMethodofRealizingIRFPADAIShao2sheng,Gqi(CollegeofConnnunicationIChongqingUniversityof400065,CHN)Abstract:Topinfraredfocalplanearray(IRFPA)real2timeacompressingcorrectionmethodispresentedwhichutilizesftransform.Thememorycompressingcorrectionprincipleandapproachesareexpoundedindetai

3、l.Thehardwarecircuitdiagramisgivenout.Theexperimentalresultsprovethatthemethodhassimplecircuitandsatisfyingimageanditeasilyrealizesreal2timecorrection.Keywords:IRFPA;nonuniformity;memorycompressingcorrectionmethod1引言由于制造和环境的影响,红外焦平面阵列各阵列元之间普遍存在响应的非均匀性1。非均匀性导致了红外焦平面阵列的温度分辨率等性能显著下降,使其难以满足红外成像系统的使用要求,因

4、而工程中使用的红外焦平面阵列几乎毫无例外地都采用非均匀性校正技术,希望通过非均匀性校正,改善红外焦平面阵列的探测能力,提高红外成像系统的成像质量2。在传统的硬件校正方法中,有的电路复杂,调试困难;有的校正速度慢,难以实现实时校正。本文提出一种电路简单、校正速度较快的存储器压缩校正新方法。该校正方法实现简单、成本低廉。收稿日期:2007-06-21.基金项目:重庆邮电大学博士启动基金项目.2762存储器压缩校正的原理存储器压缩校正方法是利用存储器的函数变换功能,对图像传感器的不均匀性响应进行校正存储,然后,将经过A/D转换后的视频信号数据作为存储器的一部分地址输入,并直接从存储器输出端获得校正后

5、的数据。在阐述存储器压缩校正方法之前,首先介绍一下存储器校正方法:存储器的基本应用是数据存储,它的输入量是地址A,输出量是与地址A对应存储单元内的数据D。如果数据D在写入存储器时按照D=f(A)的函数关系,就使数据D与地址A之间具有D=f(A)的函数变换功能3。对图像传感器的不均匀性数据进行校正存储,再把A/D转换后的视频数据作为存储器的一部分地址输入,直接从存储器输出端便可获得校正后的数据。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 半导体光电2008年4月

6、第29卷第2期代少升等:一种红外焦平面阵列非均匀性校正的新方法这种校正方法称为存储器校正法。随着A/D采样分辨率的提高和红外焦平面阵列像元数的增加,对EEPROM存储空间的要求也越来越大4。假如采用的红外焦平面阵列的像元数为128×128,在不考虑无效像元的情况下,则需校正的像元数为128×128=214=16Kbyte,需要用到14位2进制计数器,如果我们选用10bitA/D,则EEPROM至少需要的存储空间为:214×210×10=20MByte,所需存储器空间较大。当用于凝聚型、大面阵红外焦平面阵列非均匀性校正时,所需EEPROM空间更大,成本也会

7、更高。因此有必要对存储的数据量进行压缩。下面阐述一下存储器压缩校正的思想:(1)首先合并相同响应曲线。假定红外焦平面阵列各阵列元的光电响应曲线为线性。对128×128的红外焦平面阵列各阵列元的光电响应输出数据进行分析,不难发现其中存在很多像元的灰度值是相同的,可以将这些灰度值相同的像元进行合并,并重新编号。编号时采用饱和时响应最快的像元作为标准曲线的视频输出幅值1024(对于10bitA/),128×128采用两片EEPROM存放压缩数据,各EEPROM存储量的大小为:(1)EEPROM1的大小。由于采用的A/D转换器为10bit,存储器宽度要大于或等于10bit,焦平面阵

8、列大小为128×128,因此可选用大小为16K×16bit的EEPROM来存放压缩表;(2)EEPROM2的大小。由于EEPROM2有高、低端输入地址构成,高端地址宽度由A/D的转换范围决定,即210,低端地址宽度由合并后的曲线数决定,即210。因此可选用大小为1M×16bit的EEPROM来存放不同曲线的校正值。图2给出了存储器压缩校正方法原理。总之,对响应曲线相同的阵列元进行合并,并采用两片EEPROM来进行数据存储,不仅可以大大减少系统存储空间,降低整个成像系统的研制成本,而且可以实现红外焦平面阵列非均匀性实时校正。数目由16384编制出像元线表(简称压缩表

9、),用EEPROM1;(2)在合并相同响应曲线的基础上进行非均匀性校正。由于红外焦平面阵列的非均匀性主要表现为各阵列元响应曲线斜率的不一致。图1给出了任意两条不同阵列元的响应曲线a和b,s为标准阵列元的响应曲线(因为a、b可以通过平移达到图1所示的位置)。设在某一辐射通量<1下,a、b、s的响应幅度分别为Va、Vb、Vs。将a、b输出幅度Va、Vb的A/D转换结果作为寻址,相应图2存储器压缩校正原理示意图3存储器压缩校正方法的实现由校正原理可知,存储器压缩校正方法的实现可分三步进行:首先是制作压缩表,建立像元号与曲线号的映射关系;其次是校正数据的形成,包括原始视频信号的测试和非均匀性校正

10、数据的存储;最后是非均匀性校正的硬件实现。3.1压缩表的制作寻址单元写入标准曲线s的Vs值,利用存储器的变换功能就能实现不均匀性校正。用EEPROM2来存储校正数据。压缩表的制作过程如下:通过调整视频信号的预处理电路,使饱和光强下灵敏度最高的标准曲线的视频信号幅值为1024,其余像元的幅值都低于或等于1024。用计算机处理数据时,把饱和光强下具有相同响应幅值的像元合并成一条曲线。曲线的编号由具体像元的饱和值决定,例如,饱和值为1024的所有像元编号为1024,饱和值为1023的所有像元编号为1023等等。这样合并后,整个响应曲线的条数减少到1024条以内。用计算机编制出压缩表,并存储在EEPR

11、OM1中。3.2校正数据的形成图1红外焦平面阵列元的响应曲线在假定阵列元响应为线性的条件下,线性响应277© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSVol.29No.2Apr.2008模型可以表示为Vij(<)=Kij<+Bij(1)其中,Kij<为阵列元的响应输出值,<为辐射通量,Kij和Bij为红外焦平面阵列第i行j列像元的斜率和截距,对于每一个像元,Kij和Bij的值在两个

12、标定点内是固定的,并且不随时间变化。可以通过测试两个辐射点的视频校正输出,代入线性模型,便可求出其他辐射点的视频校正输出。对于阵列元的非线性响应,可以采用逐段线性来逼近其非线性响应。校正过程会随线段的细分而变得复杂。理论分析表明,当辐射通量的变化,使像元的输出变化小到只有一个单位时,所获得的非均匀性校正精度最高。校正数据存储在EEPROM2中。3.3非均匀性校正的硬件实现存储器压缩校正方法的硬件电路由视频信号预处理电路、可编程逻辑器件、高速A/D、EEPROM1、EEPROM2及图像显示设备构成。硬件电路框图如图3所示。下面根据图3中的电路框图,平面阵列非均匀性实时校正过程:列的启动信号到来后

13、,信号进行计A/集,计数结果作为EEPROM1,从EEPROM1寻址出来的数据作为EEPROM2的高端地址,A/D转换出来的数据作为EEPROM2的低端地址,由高低端地址共同寻址出EEPROM2中的数据作为非均匀性校正结果。在可编程逻辑器件的控制下,校正结果依次送入显示设备进行数字图像的显示。正前后同一幅图像数据生成的三维图形。从图中可以看到:校正后图像的均匀性得到明显提高。实验表明,存储器压缩校正方法实现简单,电路调试方便,校正速度快,残余非均匀性小(小于1.3%),适合实时校正。参考文献:1代少升,袁祥辉.红外图像非均匀性实时校正的新技术J.光学精密工程,2004,12(2):2012204.2陈锐,谈新权.红外图像非均匀性校正方法综述J.红外技术,2002,24(1):123.3袁祥辉.固体图像传感器及其应用M.重庆:重庆大学出版社,1996.4李兵,袁祥辉,潘银松.一种新的红外焦平面阵列非均匀性实时校正方法研究J.红外与毫米波学报,2000,19(6):4752477.5田志刚,吕俊杰.基于FIFO存储器的高速显微图像处图3非均匀性校正的硬件电路框图理系统J.光学精密工程,1999,2(