红外探测器非均匀性校正

1、汇报人：周恩源2022-5-12一非均匀性定义二非均匀性度量三产生原因四校正方法五优缺点对比六标定方法原理七场景方法举例红外探测器非均匀性的定义目前针对红外焦平面阵列非均匀性的定义主要有两种：图1： 30（左）、0（右）的黑体红外图像定义一：一般意义上的非均匀性(Nonuniformity)是指由探测器各阵列元的红外响应度不一致而导致的图像质量降低。定义二：广义上的非均匀性(NU)指的是红外焦平面阵列(IRFPA)在外界同一均匀光学场输入时单元之间输出的不一致性。目前对非均匀性的度量方法大体也可分为两种：红外探测器非均匀性的度量第一种是基于任务的度量方法，这种方法往往带有某种程度的主观性；第二

2、种一种度量方法采用客观的计算公式来度量非均匀性的大小。客观的度量方式也有几种，其中较为精确的定义如下：在均匀入射辐射条件下，将盲元因素去除，计算红外焦平面阵列探测器敏感元的响应输出的均方根偏差与其所有敏感元的响应输出的平均值比值的百分数。如式：盲元的定义：由于制作器件的半导体材料的不一致性，掩膜误差、缺陷、工艺等因素影响，其信号输出辐度会出现不均匀现象，严重者就出现所说的盲元(Dead Pixels)。 在实际成像系统中，盲元分为器件级和信号通道级两类：器件级的定义是基于测试实验室内的标准，需要专用设备及测试软件，该型失效元可以在器件出厂时一次标定，并作为用户使用手册发出；信号通道级的盲元是成

3、像系统中电荷读出及电子成像过程中由于通道障碍使相关单元信号衰减而形成，该类盲元具有随机性，对于它们的检测无法预先定位，因此必须引入现场检测技术。死像元(Dead pixel) ：像元响应率小于平均响应率1/10的像元，死像元数记为d。过热像元(Over hot pixel) ：像元噪声电压大于平均噪声电压10倍的像元，过热像元数记为h 。(a) 未进行盲元的检测和补偿(b) 进行盲元检测和补偿后图2：进行和未进行盲元检测比较图非均匀性的产生原因1部件探测器阵列CCD影响非均匀性的起因饱和电流光敏面积量子效率截至波长阈值电压传输效率注入效率具体因素载流子寿命、掺杂浓度PN节面积、晶体缺陷光刻技术

4、表面反射率、载流子寿命入射光谱成分 成分配比、势阱深度掺杂浓度、势阱深度CCD设计、电荷迁移率势阱的非线性输入电阻、电容对温度的敏感性敏感不敏感不敏感敏感不敏感不敏感不敏感探测器和CCD中对非均匀性的影响因素及其对温度的敏感性4231 1234非均匀性的产生原因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：焦平面器件的工作温度和温度的均匀性、红外探测器及其CCD器件的驱动信号等。HgCdTe光伏探测器的辐射响应性能与它所处的实际温度相关，焦平面器件和焦平面器件探测单元的温度均匀性将影响整个焦平面器件响应的均匀性。同样，红外探测单元及其CCD器件单元驱动信号的变化将影响整个

5、焦平面器件响应的均匀性。这种非均匀性主要由焦平面器件的工作状态确定，同一焦平面在不同成像系统中可以有不同的非均匀性效果。12341234非均匀性的产生原因在红外热成像系统中，入射的目标和背景红外辐射强度发生变化，红外热象仪光学系统的背景辐射等外界特性均可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有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辐射光谱变化后仍具有相同的均匀性。红外光学系统的背景辐射条件的变化将直接影响到红外探测器的工作环境、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成像系统的设计中

6、很难直接观测到。12341234非均匀性的产生原因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在20%左右，对红外图像质量有着严重的影响，如果不进行校正，目标图像很难从背景中分辨出来。a.受非均匀性影响的红外焦平面阵列图像b.较为理想的红外焦平面阵列图像图3：红外焦平面阵列图像校正前后对比基于温度标定的非均匀性校正基于场景的非均匀性校正红外探测器非均匀性校正时域高通滤波法恒定统计法卡尔曼滤波法单点法两点法多点法非均匀性的校正方法基于温度标定的校正技术要求在特定温度下由黑体产生的均匀辐射对红外焦平面阵列定标，通常使用两点定标算法或多点定标算法。优点：算法成熟、原理

7、简单，便于硬件实时处理实现；缺点：当红外探测器的非均匀性很大时，基于标定的校正方法存在一定的误差，并且基于标定的校正方法在使用时，需要隔一段时间就进行重新标定，以保证非均匀校正系数的准确。基于温度标定的校正技术的原理及优缺点基于场景的方法是根据场景的运动，在每一探测器单元上产生场景温度的变化。这些温度变化依次提供统计参考点，依照这些参考点，完成探测器的非均匀性校正。优点：从非均匀性的表现形式出发进行校正，不需要对探测器进行标定。针对场景进行非均匀性校正，实现系统简洁，克服了器件的空间非均匀性影响和周期性定标的问题，从实时场景提取校正参数，具有自适应校正的优点。缺点：要求场景中存在运动，不适合静

8、止图像，并且在对当前图像进行校正时要用到先前图像的信息，要求存储先前图像，并且计算的复杂性大。基于场景的校正技术的原理及优缺点非均匀性校正基本原理框图基于温度标定的非均匀性校正校正过程原理图基于温度标定的非均匀性校正假定探测器各阵列元的响应特性在所感兴趣的温度范围内为线性的，然而实际探测元的响应特征本质上是非线性的，工作范围越宽，非线性越明显。(a) 校正之前(b) 一点温度标定校正后(c) 两点温度标定校正后(d) 三点温度标定校正后实验NU值一点校正两点校正三点校正校正之前校正之后0.16210.16210.16210.14040.13580.1282采用240320元红外焦平面产生的图像，分别用两点校正和多点校正温度标定法进行校正。多点校正温度标定法采用三点温度标定法。两点校正时，标定温度分别为15和35 ；三点校正时，标定温度分别为15 、20和35 。校正效果(经过了盲元检测和补偿算法后) 如下所示：分别在高温辐照度低温辐照度进行定标根据标定数据，应用盲元检测算法得到盲元的数目、标记盲元的位置得到中间辐照度的红外数据，并判断是否是盲元运用两点或多点校正算法，得到校正后的数据运用校正后的数据和盲元补偿算法，得到补偿后的数据得到最后的校正后的红外数据YesNo非均匀性校正的算法（两点校正为例）