红外非均匀性校正的算法研究.doc

IRFPA响应的 非均匀性校正的算法研究 CONTENTS IRFPA响应的非均匀性产生原因………… 常见的非均匀性校正方法的原理 两点标定法及改进思路 自适应算法的介绍和改进 盲元替代的实现 附录一：用于实现两点标定法和盲元处理的MFC源程序 参考文献  IRFPA响应的非均匀性产生原因 为了对IRFPA响应的非均匀性进行校正，我们有必要先对它的定义和成因进行介绍。 红外成像过程可以描述为目标和背景的红外辐射通过大气和光学系统传输后到达红外焦平面阵列（infrared focal plane arrays, IRFPA），红外探测器把辐射信号转换为电信号，然后经过读出电路输出显示的过程。因此，IRFPA响应输出是目标辐射特性、大气传输特性、光学系统特性、器件响应特性等诸多因素共同作用的结果。依此，我们可以把影响红外成像质量的因素分为四种：响应的非均匀性，响应的漂移特性，盲元，目标辐射的对比度。对于目标辐射的对比度，由观测对象决定，但可以通过图像增强的方法进行改善。本文主要讨论前三种。 对于理想的IRFPA，假定输入辐射均匀且相同的话，那么每个探测器的输出信号应该完全相同。但事实上，由于制作工艺，材料质量等因素的影响，每个探测器在阻抗，容抗，热敏面积，电阻温度系数等参数方面均有差别，因此输出信号幅度并不相同，即产生固定图案噪声( Fixed Pattern Noise , FPN )，这种不一致就是IRFPA响应的非均匀性。 1999年中华人民共和国国家标准红外焦平面阵列参数测试技术规范中的关于非均匀性(NU)的定义如下： (1-1) 其中表示红外焦平面阵列上所有有效像元的输出信号平均值(在计算输出信号的和以及非均匀性时，均不包括无效像元的信号值)，M和N分别为焦平面阵列的行数和列数，d为焦平面阵列中的死像元数，h为焦平面阵列中的过热像元数。盲元包括死像素和过热像素。死像素指响应率小于平均响应率的1／10的像素；而过热像素就是响应率大于平均响应率10倍的像素。 它严重影响了红外系统的成像质量.因此，在实际应用中，必须要先对其进行非均匀校正(Non-uniformity Correction, NUC) 。 不同的IRFPA响应的非均匀性并不相同。常用的HgCdTe和InSb型IRFPA的非均匀性为10%左右，而测微辐射热计IRFPA的非均匀性可达20%。若不校正的话，我们就无法获得清晰的图像。 与此同时，非均匀性还会随着时间和工作条件（如环境温度、偏置电压）的变化而产生漂移。影响漂移的因素间也是相互关联，很难对其中一个单独校正。工作条件的改变是对整个器件施加的影响，因此具有一种整体性变化趋势，这种趋势表现为直流成分，可以通过图像增强的方法消除；对于每一个探测元，工作条件的改变引起的变化略有不同，其响应的漂移也略有差别，这种不同探测器的差别性变化可以通过校正系数的更新来消除。 盲元是指响应过高或过低的探测单元，在图像中表现为过亮点和过暗点。如果某个探测器的非均匀性无法通过校正消除的话，就认为它是盲元。盲元数量和分布直接影响探测器的成像质量，若盲元多而集中，图像就会出现无响应区域，称为盲区，严重限制了红外成像器件的应用。因此，只有开发有效的盲元检测算法对其进行补偿，才能更好发挥探测器的性能。 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。国家标准从器件对黑体辐射的响应程度作为盲元的量化指标，包括死像元和过热像元。死像元是指像元响应率小于1／10平均响应率的像元；过热像元是指像元噪声电压大于平均噪声电压10倍的像元。像元响应率和平均响应率的定义如下。 像元响应率：像元响应率R(i ,j)是单位辐射功率产生的输出信号电压，表达式如下： (1-2) 上式中，V(i,j)是第i行第j列像元对于辐射功率P的响应电压，P表示红外焦平面阵列接收的辐射功率。 平均响应率：平均响应率表示红外焦平面阵列各个有效像元响应率的平均值，表达式如下： (1-3) 上式中：M、N分别表示红外焦平面阵列的行数和列数；d、h分别表示死像元数和过热像元数。实际测量中，d和h是经多次迭代计算得到。 盲元率：红外焦平面阵列的盲元数占总像元数的百分比，由下式表示： (1-4) 二．常见的非均匀性校正方法的原理 非均匀性校正的方法有很多，大致可以分为两类：基于标定技术的算法和基于场景技术的算法。 基于标定技术的算法是指在实验室里利用均匀的高温和低温黑体对红外焦平面进行标定，对指定焦平面器件进行参数的提取，从而计算出增益和偏移系数，对探测器输出进行校正的方法，此类算法常见的有的两点标定法（TPC）、多点温度校正法