一種校正紅外成像系統(tǒng)快門非均勻性的方法

閆相宏，蔣 偉，袁 凱，呂 堅(jiān)，周 云

（電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川省成都市，郵編610000）

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一種校正紅外成像系統(tǒng)快門非均勻性的方法

閆相宏，蔣 偉，袁 凱，呂 堅(jiān)，周 云

（電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川省成都市，郵編610000）

紅外圖像除了紅外焦平面陣列本身的非均勻性之外，鏡頭、外殼、快門等都會(huì)造成紅外圖像的非均勻性。隨著科技的不斷進(jìn)步，非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的體積在不斷減小，熱成像系統(tǒng)的散熱問題逐漸凸顯。使用快門校正的熱像儀在長時(shí)間工作后，快門受熱造成圖像的非均勻性無法消除。因此，在對(duì)熱像儀進(jìn)行非均勻性時(shí)，使用改進(jìn)的方法重新計(jì)算非均勻性校正參數(shù)，可以有效的消除由于快門發(fā)熱造成的非均勻性的影響，在長時(shí)間使用紅外熱成像系統(tǒng)時(shí)，可以提高紅外圖像質(zhì)量。

非制冷紅外熱成像系統(tǒng)；散熱；紅外圖像；非均勻性；校正；快門

1 引言

在軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、森林防火、監(jiān)控等方面,紅外成像系統(tǒng)都發(fā)揮著重要的作用[1]。紅外成像系統(tǒng),以其可靠性高、體積小、功耗低等優(yōu)勢在各國的科研當(dāng)中占據(jù)著重要地位[2]。

紅外成像系統(tǒng)由于紅外焦平面陣列制造材料、掩膜誤差、工藝條件等因素的影響，在受到均勻輻射的情況下，探測器輸出幅度不同，造成紅外圖像呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)[3]。同時(shí)，紅外成像系統(tǒng)也會(huì)引入其他非均勻性因素，比如鏡頭、系統(tǒng)本身發(fā)熱、快門等。隨著紅外成像系統(tǒng)體積越來越小，結(jié)構(gòu)越加緊湊，快門也在逐漸減小，由此引入的快門的非均勻性也是造成紅外圖像非均勻性的原因[4]。

目前紅外成像系統(tǒng)除了需要進(jìn)行傳統(tǒng)的兩點(diǎn)校正以外，在實(shí)際使用過程中，由于隨著使用的時(shí)間以及環(huán)境溫度的變化以及紅外成像系統(tǒng)焦平面陣列本身的溫度發(fā)生的變化，會(huì)產(chǎn)生溫漂，因此需要進(jìn)行頻繁的快門修正以消除紅外焦平面陣列的非均勻性的影響[5]。

此處假定了快門是均勻的，才可以消除紅外焦平面陣列的非均勻性，然而實(shí)際情況卻是快門也會(huì)隨著紅外系統(tǒng)溫度的漂移而產(chǎn)生非均勻性，使得紅外成像系統(tǒng)的非均勻性無法得到修正。

2 兩點(diǎn)校正原理

兩點(diǎn)校正算法是現(xiàn)在使用最為廣泛和成熟的紅外圖像的校正算法，在兩點(diǎn)校正算法當(dāng)中，假定紅外探測器的響應(yīng)特性是線性的，且響應(yīng)具有時(shí)間穩(wěn)定性，受隨機(jī)噪聲的影響較小[6]。在這兩個(gè)條件下，可以用公式（1）來表示探測器像元的信號(hào)輸出值：

通過式（3）和（4），可以消除探測器的非均勻性[7]。

然而在熱像儀的實(shí)際工作過程中，由于探測器制作工藝以及陣列響應(yīng)隨溫度發(fā)生漂移，導(dǎo)致偏移校正量失效。因此，在兩點(diǎn)校正方法的基礎(chǔ)上，通過在探測器前方增加均勻的快門，工作過程中通過采集快門的響應(yīng)值，重新計(jì)算新的偏移校正量，使得紅外熱像儀可以連續(xù)工作不影響紅外圖像質(zhì)量[8]。

3 基于快門的兩點(diǎn)校正的改進(jìn)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，紅外熱像儀的體積越來越小，相對(duì)應(yīng)的熱像儀的熱設(shè)計(jì)也逐漸復(fù)雜和困難。在長時(shí)間使用紅外熱像儀的過程中，普通的兩點(diǎn)校正方法并不能消除紅外圖像的非均勻性，紅外圖像在屏幕上的周圍亮度會(huì)升高，造成紅外圖像質(zhì)量下降。

在基于快門的兩點(diǎn)校正的方法當(dāng)中，假定了快門是表面溫度均勻的。然而在結(jié)構(gòu)緊湊的紅外熱像儀當(dāng)中，長時(shí)間工作導(dǎo)致熱像儀溫度升高，造成了快門實(shí)際上并不是一個(gè)均勻受熱的物體。基于此，為了消除快門帶來的非均勻性，必須在校正后的像元響應(yīng)當(dāng)中刨除快門的影響，在此提出了改進(jìn)偏移校正量的方法。新的函數(shù)關(guān)系如下：

從上述的計(jì)算公式可以看到，校正增益系數(shù)并沒有發(fā)生變化，而偏移校正量的式子當(dāng)中包含了快門的非均勻性，從而達(dá)到消除快門影響的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證提出方法的正確性，使用NI公司的PCIe-6535數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在Matlab當(dāng)中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程中，將紅外熱像儀工作較長時(shí)間，通過FPGA程序控制快門處于長時(shí)間閉合狀態(tài)。通過采集卡采集到的原始紅外圖像導(dǎo)入Matlab如圖1所示。

使用熱像儀分別采集高溫黑體數(shù)據(jù)和低溫黑體數(shù)據(jù)，當(dāng)使用一般的兩點(diǎn)校正時(shí)，經(jīng)過校正的紅外圖像如圖2。

可以看到紅外圖像的四周的響應(yīng)偏高，特別是圖像的左、右上角，細(xì)節(jié)極其模糊。使用改進(jìn)的兩點(diǎn)校正方法處理的紅外圖像如圖3。

通過圖2和圖3的對(duì)比，可以看到快門的非均勻性被很好的消除了，圖像細(xì)節(jié)得到顯現(xiàn)。

圖1 長時(shí)間工作后擋片的原始圖像

圖2 使用普通兩點(diǎn)校正的紅外圖像

圖3 使用改進(jìn)的兩點(diǎn)校正的紅外圖像

5 結(jié)束語

紅外熱像儀的非均勻性校正在紅外圖像處理中始終是重要的一環(huán)。兩點(diǎn)校正由于其計(jì)算并不復(fù)雜，有利于對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。但是在使用兩點(diǎn)校正算法時(shí)，需要分析具體的應(yīng)用環(huán)境對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，使得紅外圖像的質(zhì)量達(dá)到最佳。

[1]李升才,肖順旺,徐宗昌.非制冷紅外焦平面技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展 [C].//中國光學(xué)學(xué)會(huì)光電技術(shù)專業(yè)委員會(huì)成立二十周年暨全國光電技術(shù)與系統(tǒng)學(xué)術(shù)會(huì)議.北京:電子工業(yè)出版社,2005.Li Shengcai,Xiao Shunwang,Xu Zongchang.Uncooled Infrared Focal Plane Technology,Applications and Developments.[C].The Twenty Anniversary of the Establishment of Specialized Committee and the National Conference on Optoelectronic Technology and Systems.Beijing.Electronic Industry Press.2005.

[2]吳澤鵬.非制冷紅外熱成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院研究生院 (長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所),2013.Wu Zepeng.Research on the Key Techniques of Uncooled Infrared Thermal Imaging System[D].Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2013

[3]董珍時(shí),劉小波.紅外焦平面探測器非均勻性的簡化數(shù)學(xué)模型[J].激光與紅外,2003,(03):208-211.Dong Zhenshi,Liu Xiaobo.The Simplified Mathematical Model Research for Infrared Focal Plane Arrays Non-uniformity[J].Laser&Infrared,2003,(03):208-211.

[4]Tempelhahn A,Budzier H,Krause V,et al.Improving the Shutter-lessCompensation Method forTEC-lessMicrobolometer-based Infrared Cameras[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2015,9451:94511F-94511F-10.

[5]姚琴芬.紅外圖像實(shí)時(shí)非均勻性校正技術(shù)研究及硬件實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2007.Yao Qinfen.The Research and Implementation of Real Time Non-uniformity Correction for Infrared Image[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2007.

[6]何火勝.紅外圖像兩點(diǎn)非均勻性校正算法工程實(shí)現(xiàn)[J].科技與創(chuàng)新,2014,(12):4-5.He Huosheng.Engineering Implementation of a Non-uniformity Correction Algorithm for IRFPA Based on Two Points.[J].Science and Technology&Innovation,2014,(12):4-5.

[7]李旭.基于兩點(diǎn)的紅外圖像非均勻性校正算法應(yīng)用[C].哈爾濱:第二屆紅外成像系統(tǒng)仿真測試與評(píng)價(jià)技術(shù)研討會(huì).2008.Li Xu.Application of a Non-uniformity Correction Algorithm for IRFPAs Based on Two Points[C].Harbin:The Second Symposium on Infrared Imaging System Simulation and Evaluation.2008

[8]江橋.小型化非制冷紅外熱成像組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) [D].成都:電子科技大學(xué),2013.Jiang Qiao.The Design and Implementation of Miniaturized Uncooled Infrared Thermal Imaging Components[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2013.

A Method for Correcting Non-Uniformity of Shutter in Infrared Imaging System

Yan Xianghong,Jiang Wei,Yuan Kai,Lv Jian,Zhou Yun
(State Key Lab.of Electronic Thin-film and Integrated Device,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

The lens,housing,shutter etc.will lead to the non-uniformity of infrared imaging in addition to the non-uniformity of the infrared focal plane array itself.With the improvement of science and technology,the volume of the uncooled infrared thermal imaging system is decreasing,and the heat dissipation problem of the system is becoming more and more obvious.The non-uniformity of imaging caused by the heated shutter can’t be eliminated after the infrared system working for a long time.Therefore,the use of improved method to recalculate the non-uniformity correction parameters can effectively eliminate the non-uniformity caused by the heated shutter in the process of non-uniformity correction of infrared imaging.The new method can improve the infrared image quality after the system working for a long time.

Uncooled infrared thermal imaging system;Heat dissipation;Infrared Image;Nonuniformity;Correction;Shutter

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.014

TN21

A

1002-2279-（2017）04-0057-03

閆相宏（1992—），男，山西省晉中市人，碩士，主研方向：電子與通信工程，微電子學(xué)與固體電子學(xué)。

2017-03-28