制冷紅外焦平面陣列響應(yīng)特性的研究

摘 要 文章分析了制冷紅外焦平面陣列（IRFPA）的響應(yīng)模型及響應(yīng)特性，利用恒溫黑體采集某320*256長波紅外焦平面陣列在不同輻射下的響應(yīng)數(shù)據(jù)得到其非線性響應(yīng)曲線，然后討論分析響應(yīng)曲線，在實際應(yīng)用中劃分不同的線性響應(yīng)段，通過調(diào)整合適的積分時間結(jié)合兩點溫度定標(biāo)法對圖像的非均勻性進(jìn)行線性校正，效果良好。

關(guān)鍵詞 焦平面陣列；響應(yīng)特性；入射輻射；積分時間；非均勻性校正

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0057-02

紅外焦平面陣列（IRFPA）是紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，由于制作材料的缺陷、加工工藝等多方面的原因，影響了焦平面響應(yīng)的均勻性，降低了紅外系統(tǒng)的成象質(zhì)量，需要進(jìn)行非均勻性校正，而焦平面的響應(yīng)是非線性的，當(dāng)其響應(yīng)動態(tài)范圍很大時，響應(yīng)的非線性會變得突出，如果采用線性模型來實現(xiàn)非均勻性校正，則由響應(yīng)的非線性引入的非均勻性校正誤差就會變得明顯，如何降低在大動態(tài)范圍下，焦平面陣列響應(yīng)非線性對非均勻性校正性能的影響是一個重要的研究內(nèi)容。

本文利用高低溫黑體，通過改變黑體靶面溫度、調(diào)整積分時間來實測了某長波320*256紅外焦平面的響應(yīng)數(shù)據(jù)并得到其非線性響應(yīng)曲線，結(jié)合響應(yīng)曲線對圖像的非均勻性進(jìn)行了線性校正。

1 紅外焦平面響應(yīng)模型

2 焦平面響應(yīng)曲線分析

2.1 焦平面響應(yīng)與入射輻射的關(guān)系

在環(huán)境溫度為300K不變的情況下，設(shè)定黑體溫度，待黑體溫度穩(wěn)定時，將焦平面對準(zhǔn)黑體靶面，采集像元的響應(yīng)均值，采集10幀響應(yīng)值的均值，求其均值作為焦平面的平均響應(yīng)值，黑體輻射溫度變化范圍為233K～373K，每隔5度采集一組數(shù)據(jù)，獲得焦平面對各黑體溫度的平均響應(yīng)，以黑體靶面的溫度值為橫坐標(biāo)，焦平面的平均響應(yīng)值為縱坐標(biāo)，得到統(tǒng)計的響應(yīng)曲線。

在積分時間為120 us時，采集的響應(yīng)均值與黑體輻射關(guān)系如圖1，從233K開始，響應(yīng)均值較小，隨著溫度的升高，均值增加，中間部分的線性度較好，入射幅度較大時即黑體溫度在343K之后輸出慢慢接近飽和，整個曲線的趨勢呈現(xiàn)非線性。

從曲線上可以看出在303K的黑體溫度下，焦平面工作的積分時間在200 us以下時，在這個積分時間區(qū)域內(nèi)，積分時間從最小開始增加，各像元的輸出隨著增加并呈近似線性變化的

趨勢。

從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，在溫度變化的大動態(tài)范圍內(nèi)，焦平面的輸出響應(yīng)是黑體溫度的單調(diào)遞增的非線性函數(shù)，它的響應(yīng)曲線經(jīng)歷了由截止到緩慢上升，線性增長到趨于飽和的變化過程，但在中間動態(tài)范圍，焦平面的輸出響應(yīng)與入射的黑體輻射近似線性響應(yīng)關(guān)系。

3 仿真分析與驗證

由上面分析的焦平面響應(yīng)特性可知，我們?nèi)绻玫教綔y元不同的響應(yīng)值，可以改變黑體輻射的溫度，也可以調(diào)整焦平面工作的積分時間。因此可以將線性校正方法與積分時間相結(jié)合，根據(jù)焦平面響應(yīng)曲線的動態(tài)范圍劃分積分時間，每一積分時間內(nèi)焦平面的響應(yīng)均在其線性區(qū)內(nèi)，在這個積分時間段對應(yīng)的線性動態(tài)范圍內(nèi)使用兩點溫度校正。

從圖1的響應(yīng)曲線選取溫度，進(jìn)行仿真試驗來實際比較兩點校正的效果，在其中間線性段選取兩個溫度點的響應(yīng)值，進(jìn)行兩點溫度校正后，采集到253K左右溫度點的圖像如圖4，此刻場景的溫度已不在其線性區(qū)域內(nèi)，可以明顯看出圖像有底紋非均勻性較嚴(yán)重。

試驗表明焦平面的響應(yīng)是非線性的，在整個響應(yīng)區(qū)域內(nèi)用兩點溫度校正會存在較大的校正誤差，但我們可以把其非線性區(qū)域通過調(diào)整積分時間，劃分為多個線性段，在每個線性段內(nèi)結(jié)合線性校正方法，這樣可以降低響應(yīng)的非線性引入的非均勻性校正誤差，得到較好的校正效果。

4 結(jié)論

本文對焦平面的響應(yīng)特性作出了討論，通過試驗測試數(shù)據(jù)，分析了其響應(yīng)與入射輻射、積分時間的響應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過黑體定標(biāo)采集試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，采用調(diào)整積分時間結(jié)合兩點溫度校正的方法對焦平面的非均勻性進(jìn)行校正，效果良好，實時性強，計算量小，可以滿足實際工程的需要。

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作者簡介

詹東軍（1984-），男，湖北廣水人，助理工程師，研究方向：紅外成像技術(shù)。endprint