红外非均匀性校正的算法研究.doc

IRFPA响应非均匀性校正算法研究CONTENTSIRFPA响应非均匀性产生原因…………常见非均匀性校正方法原理两点标定法及改进思路自适应算法介绍与改进盲元替代实现附录一:用于实现两点标定法与盲元处理MFC源程序参考文献IRFPA响应非均匀性产生原因为了对IRFPA响应非均匀性进行校正,我们有必要先对它定义与成因进行介绍。红外成像过程可以描述为目标与背景红外辐射通过大气与光学系统传输后到达红外焦平面阵列(infraredfocalplanearrays,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结果。依此,我们可以把影响红外成像质量因素分为四种:响应非均匀性,响应漂移特性,盲元,目标辐射对比度。对于目标辐射对比度,由观测对象决定,但可以通过图像增强方法进行改善。本文主要讨论前三种。对于理想IRFPA,假定输入辐射均匀且相同话,那么每个探测器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(FixedPatternNoise,FPN),这种不一致就是IRFPA响应非均匀性。1999年中华人民共与面阵列参数测试技术规范中关于非均匀性(NU)定义如下:(1-1)其中表示红外焦平面阵列上所有有效像元输出信号平均值(在计算输出信号与以及非均匀性时,均不包括无效像元信号值),M与N分别为焦平面阵列行数与列数,d为焦平面阵列中死像元数,h为焦平面阵列中过热像元数。盲元包括死像素与过热像素。死像素指响应率小于平均响应率1/10像素;而过热像素就是响应率大于平均响应率10倍像素。,在实际应用中,必须要先对其进行非均匀校正(Non-uniformityCorrection,NUC)。不同IRFPA响应非均匀性并不相同。常用HgCdTe与InSb型IRFPA非均匀性为10%左右,而测微辐射热计IRFPA非均匀性可达20%。若不校正话,我们就无法获得清晰图像。与此同时,非均匀性还会随着时间与工作条件(如环境温度、偏置电压)变化而产生漂移。影响漂移因素间也是相互关联,很难对其中一个单独校正。工作条件改变是对整个器件施加影响,因此具有一种整体性变化趋势,这种趋势表现为直流成分,可以通过图像增强方法消除;对于每一个探测元,工作条件改变引起变化略有不同,其响应漂移也略有差别,这种不同探测器差别性变化可以通过校正系数更新来消除。盲元是指响应过高或过低探测单元,在图像中表现为过亮点与过暗点。如果某个探测器非均匀性无法通过校正消除话,就认为它是盲元。盲元数量与分布直接影响探测器成像质量,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应用。因此,只有开发有效盲元检测算法对其进行补偿,才能更好发挥探测器性能。对于盲元定义,主要是从器件对黑体辐射响应程度作为量化指标。国家标准从器件对黑体辐射响应程度作为盲元量化指标,包括死像元与过热像元。死像元是指像元响应率小于1/10平均响应率像元;过热像元是指像元噪声电压大于平均噪声电压10倍像元。像元响应率与平均响应率定义如下。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响应电压,P表示红外焦平面阵列接收辐射功率。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行数与列数;d、h分别表示死像元数与过热像元数。实际测量中,d与h是经多次迭代计算得到。盲元率:红外焦平面阵列盲元数占总像元数百分比,由下式表示:(1-4),大致可以分为两类:基于标定技术算法与基于场景技术算法。基于标定技术算法是指在实验室里利用均匀高温与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提取,从而计算出增益与偏移系数,对探测器输出进行校正方法,此类算法常见有两点标定法(TPC)、多点温度校正法(ETPC)等,其中两点标定法最为常见,也是本文着重介绍一种算法。定标校正法具有较高校正精度、技术成熟、硬件实现容易、校正效果明显、图像较为均匀。其缺点是校正时,需要许多辅助器件(如:黑体源、光学设备等)定标,因此大大增加了探测器体积与成本;在标定过程中成像系统还必须暂停工作;此外它还没有补偿各探测元差别性漂移能力,对探测器长时间工作漂移需要周期性采样定标。这严重制约了该类算法使用范围;基于场景技术算法,它直接利