紅外圖像兩點非均勻性校正算法工程實現

何火勝

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件，但是，由于其像元紅外響應度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質量，所以，在實際工程應用中，需采用響應的非均勻性校正技術。介紹了IRFPA非均勻性的產生機理和兩點非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進行兩點非均勻性校正工程實現，明顯改善了圖像效果。

關鍵詞：紅外焦平面；兩點法；非均勻性校正；工程實現

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件。由于受制造探測器半導體的質量和工藝水平的影響，使得器件內各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應電壓，并且探測器各像元的響應特性隨著工作環境溫度的變化而變化，導致紅外圖像質量下降，影響實際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進行校正。目前，國內外紅外圖像非均勻校正出現多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標的算法。基于場景的算法在克服IRFPA響應偏移誤差方面存在優勢，是目前研究的主要方向，但在實際工程中應用的不多。由于基于定標的算法簡單、精度高，所以被廣泛應用。文中對基于定標的二點非均勻性算法進行了研究，并對其進行工程實現，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經過物體熱輻射、大氣傳輸、光學系統、探測器的轉換和信號傳輸等過程。紅外焦平面陣列非均勻性的產生是所有過程共同作用的結果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導體特性、放大電路和外部環境等。探測器自身的非均勻性在整個系統的非均勻性中占很大的比例，它的產生受到制造探測器的半導體質量和加工工藝過程的影響。紅外光學系統中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產生了一定的影響。當探測器的驅動信號或讀出電路的驅動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導致最終的圖像產生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應非均勻性。假設探測器的像元響應曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應特性曲線，φ表示紅外輻射強度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點非均勻性校正算法原理

兩點非均勻性校正法是目前應用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產生的機理來分析，假設探測器的響應在一定溫度范圍內的變化是線性的，其受隨機噪聲的影響很小，同時具有時間穩定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應表為：

在實際工程應用中，將兩點非均勻性校正的參數Gi，j，Oi，j代入式（1）中進行非均勻性校正。

3 兩點非均勻性校正算法的實現

3.1 紅外硬件系統設計

本文紅外系統采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數轉換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實現的過程如下：紅外目標輻射經過紅外成像系統，其能量被紅外探測器接收，相關信息被采集后進行輸出和加強，再送至A/D轉換器件完成模數轉換，然后輸入含有二點非均勻性校正程序的FPGA中進行校正運算，之后輸出經過紅外增強后的圖像數據。這些數據經過 D/A轉換器件完成數模轉換，模擬信號再經過放大器后輸入到終端顯示設備中，經過二點非均勻校正過的紅外目標圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統如

3.2 校正效果

用調好的系統先后對準80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數據，計算出非均勻性校正系數，再存入FPGA中參與紅外圖像實時校正運算，試驗結果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統的非均勻性導致成像存在非均勻性。通過兩點非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點定標基準溫度，并在標定實驗室常溫環境下進行二點非均勻校正試驗。結果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實際工程應用的需要。

參考文獻

[1]李旭，楊虎.基于兩點的紅外圖像非均勻性校正算法應用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環境溫度補償的紅外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件，但是，由于其像元紅外響應度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質量，所以，在實際工程應用中，需采用響應的非均勻性校正技術。介紹了IRFPA非均勻性的產生機理和兩點非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進行兩點非均勻性校正工程實現，明顯改善了圖像效果。

關鍵詞：紅外焦平面；兩點法；非均勻性校正；工程實現

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件。由于受制造探測器半導體的質量和工藝水平的影響，使得器件內各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應電壓，并且探測器各像元的響應特性隨著工作環境溫度的變化而變化，導致紅外圖像質量下降，影響實際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進行校正。目前，國內外紅外圖像非均勻校正出現多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標的算法。基于場景的算法在克服IRFPA響應偏移誤差方面存在優勢，是目前研究的主要方向，但在實際工程中應用的不多。由于基于定標的算法簡單、精度高，所以被廣泛應用。文中對基于定標的二點非均勻性算法進行了研究，并對其進行工程實現，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經過物體熱輻射、大氣傳輸、光學系統、探測器的轉換和信號傳輸等過程。紅外焦平面陣列非均勻性的產生是所有過程共同作用的結果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導體特性、放大電路和外部環境等。探測器自身的非均勻性在整個系統的非均勻性中占很大的比例，它的產生受到制造探測器的半導體質量和加工工藝過程的影響。紅外光學系統中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產生了一定的影響。當探測器的驅動信號或讀出電路的驅動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導致最終的圖像產生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應非均勻性。假設探測器的像元響應曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應特性曲線，φ表示紅外輻射強度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點非均勻性校正算法原理

兩點非均勻性校正法是目前應用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產生的機理來分析，假設探測器的響應在一定溫度范圍內的變化是線性的，其受隨機噪聲的影響很小，同時具有時間穩定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應表為：

在實際工程應用中，將兩點非均勻性校正的參數Gi，j，Oi，j代入式（1）中進行非均勻性校正。

3 兩點非均勻性校正算法的實現

3.1 紅外硬件系統設計

本文紅外系統采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數轉換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實現的過程如下：紅外目標輻射經過紅外成像系統，其能量被紅外探測器接收，相關信息被采集后進行輸出和加強，再送至A/D轉換器件完成模數轉換，然后輸入含有二點非均勻性校正程序的FPGA中進行校正運算，之后輸出經過紅外增強后的圖像數據。這些數據經過 D/A轉換器件完成數模轉換，模擬信號再經過放大器后輸入到終端顯示設備中，經過二點非均勻校正過的紅外目標圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統如

3.2 校正效果

用調好的系統先后對準80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數據，計算出非均勻性校正系數，再存入FPGA中參與紅外圖像實時校正運算，試驗結果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統的非均勻性導致成像存在非均勻性。通過兩點非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點定標基準溫度，并在標定實驗室常溫環境下進行二點非均勻校正試驗。結果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實際工程應用的需要。

參考文獻

[1]李旭，楊虎.基于兩點的紅外圖像非均勻性校正算法應用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環境溫度補償的紅外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕

摘 要：紅外焦平面探測器（IRFPA）是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件，但是，由于其像元紅外響應度不一致，存在非均勻性，大大降低了成像質量，所以，在實際工程應用中，需采用響應的非均勻性校正技術。介紹了IRFPA非均勻性的產生機理和兩點非均勻性校正算法原理，紅外探測成像系統采用640×480焦平面探測器，選擇FPGA硬件平臺進行兩點非均勻性校正工程實現，明顯改善了圖像效果。

關鍵詞：紅外焦平面；兩點法；非均勻性校正；工程實現

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0004-02

紅外焦平面探測器是常用的兼具輻射敏感和信號處理功能的先進紅外成像系統探測器件。由于受制造探測器半導體的質量和工藝水平的影響，使得器件內各探測單元即使在相同的輻射能量照射下也會輸出不同的響應電壓，并且探測器各像元的響應特性隨著工作環境溫度的變化而變化，導致紅外圖像質量下降，影響實際使用。為了使圖像能有好的成像效果，在工程使用中，要對紅外圖像的非均勻性進行校正。目前，國內外紅外圖像非均勻校正出現多種算法，歸納起來大致分為兩大類，即基于場景的算法和基于定標的算法。基于場景的算法在克服IRFPA響應偏移誤差方面存在優勢，是目前研究的主要方向，但在實際工程中應用的不多。由于基于定標的算法簡單、精度高，所以被廣泛應用。文中對基于定標的二點非均勻性算法進行了研究，并對其進行工程實現，取得了良好的圖像效果。

1 紅外成像系統的非均勻性

一幅紅外圖像的形成要經過物體熱輻射、大氣傳輸、光學系統、探測器的轉換和信號傳輸等過程。紅外焦平面陣列非均勻性的產生是所有過程共同作用的結果，主要有紅外探測器、讀出電路、半導體特性、放大電路和外部環境等。探測器自身的非均勻性在整個系統的非均勻性中占很大的比例，它的產生受到制造探測器的半導體質量和加工工藝過程的影響。紅外光學系統中的鏡頭加工精度，鏡頭的孔徑、焦距、透射率等都對成像效果產生了一定的影響。當探測器的驅動信號或讀出電路的驅動信號有所變化時，焦平面陣列的非均勻性也將受到影響；當紅外輻射在大氣中傳播時，受到云霧、煙塵等顆粒對紅外輻射的散射和大氣的吸收、折射等各種不確定因素的影響，也會導致最終的圖像產生非均勻。紅外焦平面陣列器件所處環境溫度的非均勻性也會影響它的輻射響應非均勻性。假設探測器的像元響應曲線符合線性，如圖 1（a）所示，如果探測器的像元響應曲線符合非線性，則如圖1（b）所示。圖1中，曲線1，2，3分別為探測器的3個不同探測像元響應特性曲線，φ表示紅外輻射強度，G表示像元介紹到的能量灰度。

2 兩點非均勻性校正算法原理

兩點非均勻性校正法是目前應用最廣泛的算法之一。從紅外成像非均勻性產生的機理來分析，假設探測器的響應在一定溫度范圍內的變化是線性的，其受隨機噪聲的影響很小，同時具有時間穩定性，則焦平面探測器受到外界均勻輻射背景的響應表為：

在實際工程應用中，將兩點非均勻性校正的參數Gi，j，Oi，j代入式（1）中進行非均勻性校正。

3 兩點非均勻性校正算法的實現

3.1 紅外硬件系統設計

本文紅外系統采用640×480焦平面探測器，硬件平臺采用FPGA為圖像處理單元。非均勻校正系統主要由五部分組成，即紅外探測器、FPGA、模數轉換、外部存儲器、終端顯示。FPGA中含有大量的加乘法單元，正好滿足非均勻校正需要大量加（減）法器和乘法器的要求。整個紅外非均勻校正硬件實現的過程如下：紅外目標輻射經過紅外成像系統，其能量被紅外探測器接收，相關信息被采集后進行輸出和加強，再送至A/D轉換器件完成模數轉換，然后輸入含有二點非均勻性校正程序的FPGA中進行校正運算，之后輸出經過紅外增強后的圖像數據。這些數據經過 D/A轉換器件完成數模轉換，模擬信號再經過放大器后輸入到終端顯示設備中，經過二點非均勻校正過的紅外目標圖像最終顯示在顯示器上。紅外焦平面成像和校正系統如

3.2 校正效果

用調好的系統先后對準80 ℃面陣黑體和30 ℃面陣黑體，分別采集高溫和低溫紅外圖像數據，計算出非均勻性校正系數，再存入FPGA中參與紅外圖像實時校正運算，試驗結果如圖3所示。圖3（a）是校正前系統前方均勻物體的紅外圖像，圖3（b）是校正后系統前方均勻物體的紅外圖像。從校正前的圖像中可以看出，中央部分與邊緣部分圖像明暗差異比較大，紅外成像系統的非均勻性導致成像存在非均勻性。通過兩點非均勻性校正后，紅外圖像非均勻性得到了改善。

4 總結

640×480焦平面陣列探測器選擇80 ℃和30 ℃面陣黑體作為二點定標基準溫度，并在標定實驗室常溫環境下進行二點非均勻校正試驗。結果顯示，紅外圖像非均勻性有明顯改善，校正效果良好，能夠滿足實際工程應用的需要。

參考文獻

[1]李旭，楊虎.基于兩點的紅外圖像非均勻性校正算法應用[J].紅外與激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陳錢.環境溫度補償的紅外焦平面陣列非均勻性校正[J].紅外與激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勛，王利平，劉濱.紅外圖像非均勻性產生原因分析[J].紅外與激光工程，1997，26（3）.

〔編輯：白潔〕