摘 要：紅外焦平面陣列（IRFPA）的非均勻性是影響紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，在此提出了一種非制冷紅外圖像的非均勻性校正及其在FPGA上的實現(xiàn)方法，通過對非制冷紅外圖像盲元及非均勻校正方法分析，提出了二點加一點定標(biāo)校正方法，并利用FPGA實現(xiàn)紅外圖像非均勻校正的實時處理，獲得了較好的實驗結(jié)果。利用二點加一點定標(biāo)校正方法，可以改善紅外圖像非均勻性校正效果，用在FPGA上實現(xiàn)非均勻性校正可以實現(xiàn)紅外圖像的實時處理，便于集成和移植。

關(guān)鍵詞：非制冷紅外圖像盲元； 非均勻校正方法； FPGA； IRFPA

中圖分類號：TN91934 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22006203

紅外熱成像技術(shù)是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，能直接觀察到溫度的世界。隨著紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外熱成像系統(tǒng)已從單元探測器光機(jī)掃描成像方式發(fā)展到焦平面凝視成像方式。由于制作器件的半導(dǎo)體材料的不一致性、掩膜誤差、缺陷、工藝等原因，紅外焦平面陣列（Infrared Focal Plane Array，IRFPA）器件各探測單元響應(yīng)特性之間普遍存在著非均勻性及盲元［1］，在圖像上表現(xiàn)為空間噪聲或固定圖案噪聲、暗點或亮點。

紅外焦平面陣列（IRFPA）的非均勻性是影響紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，嚴(yán)重影響了紅外傳感器的成像質(zhì)量，因而工程中使用的IRFPA器件都要采用相應(yīng)的非均勻性校正技術(shù)?；诙?biāo)的非均勻校正技術(shù)是在特定溫度的黑體均勻輻射下，對紅外焦平面進(jìn)行定標(biāo)，通常需要事先獲得校正所需要的定標(biāo)系數(shù)，然后在校正實現(xiàn)過程中讀取這些數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理，精度高，算法相對簡單，便于硬件實現(xiàn)。

1 紅外圖像非均勻性校正原理

1.1 盲元檢測與替換

盲元，或稱失效元，是指焦平面器件中響應(yīng)過高和過低的探測器單元［2］，盲元的數(shù)量及其分布對器件性能的影響很大，因此對焦平面器件中的盲元進(jìn)行檢測和補償對提高紅外系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

對于盲元的定義，主要是從器件對黑體輻射的響應(yīng)程度作為量化指標(biāo)的。正常探測器像元與盲元在響應(yīng)特性上有很大差異，正常探測器像元的溫度響應(yīng)特征曲線是在一定動態(tài)范圍內(nèi)呈線性的，一般情況是隨著溫度的升高其對應(yīng)的特征值也隨著升高，而盲元的動態(tài)范圍遠(yuǎn)離正常的探測單元的動態(tài)范圍，在特征曲線的表示為變化斜率偏高或者偏低（如圖1所示）。

本系統(tǒng)采用基于兩點參考輻射源的盲元檢測技術(shù)，借助高、低溫黑體參考源均勻照射紅外探測器，得到兩組響應(yīng)數(shù)據(jù)，即不同溫度輻射源照射下探測單元成像灰度值。并分別求取兩組響應(yīng)數(shù)據(jù)的平均響應(yīng)值，其中MXN為探測器探測元陣列個數(shù)：Y1 = 1M×N∑Nj = 0∑Mi = 0XT1ij ，Y2 = 1M×N∑Nj = 0∑Mi = 0XT2ij 定義高、低輻射源照射下的平均響應(yīng)值之差Y2-Y1為平均響應(yīng)率，每個像素點在高、低輻射源照射下的響應(yīng)數(shù)據(jù)之差為響應(yīng)率，若某像素點的響應(yīng)率大于平均響應(yīng)率的1.2倍或小于平均響應(yīng)率的0.8倍，則該像素點視為盲元，并在數(shù)組中標(biāo)記。

盲元替換是采用盲元周圍的有效圖像信息對盲元位置的信息進(jìn)行預(yù)測和替代的過程。根據(jù)盲元檢測的數(shù)組標(biāo)記確定要替換的像元，以該像元為中心進(jìn)行加窗擴(kuò)展，將3×3里面除盲元外的8個元素的響應(yīng)值求取平均值，將盲元的響應(yīng)值用平均值替代（如圖2所示）。

基于參考輻射源的非均勻性校正算法也稱為基于定標(biāo)的非均勻校正算法，是目前最為成熟并且已經(jīng)實用化的一類［3］，精度高，算法相對簡單，便于硬件實現(xiàn)。這類校正方法的設(shè)計思想是：利用參考輻射源對紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)均勻輻照度，對每個探測器單元的響應(yīng)輸出進(jìn)行測量，由此計算得出各探測校正所需要的定標(biāo)系數(shù)；當(dāng)紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)接收到實際目標(biāo)場景輻照度時，用探測器單元相應(yīng)的定標(biāo)系數(shù)對其進(jìn)行實時校正。按參考輻射源定標(biāo)點的個數(shù)分為一點校正算法、兩點校正算法、多點校正算法。

一點校正和兩點校正都是假設(shè)紅外探測器的響應(yīng)曲線為直線，多點校正則認(rèn)為探測器的響應(yīng)為曲線，并用分段的直線來近似響應(yīng)曲線，在每段利用兩點校正算法校正。在紅外焦平面陣列中，雖然每個探測單元的響應(yīng)函數(shù)是一個非線性函數(shù)，但一個較小的工作范圍內(nèi)，探測器的響應(yīng)曲線可以近似為直線。

一點定標(biāo)校正算法的優(yōu)點很明顯，它只需測出紅外焦平面陣列在一個均勻輻照度下各個探測器單元的輸出，即可計算得出校正參數(shù)，定標(biāo)測量容易實現(xiàn)，算法相當(dāng)簡單。但是這種算法的缺點也很大，從算法和示意圖中可以看出該算法實質(zhì)上只對器件的偏置做了補償，而沒對增益做校正，即相當(dāng)于將響應(yīng)直線做了位置的平移（如圖3所示）。

圖3 不同像元響應(yīng)直線與一點定標(biāo)校正結(jié)果為了克服一點定標(biāo)線性校正算法的不足，引入兩點定標(biāo)線性校正算法。兩點校正法是通過測量陣列中各探測器單元對2個不同輻照度的均勻黑體輻射的響應(yīng)，并由此計算出校正值，從而實現(xiàn)非均勻性校正。其原理如下：

（1） 在黑體溫度為T1 時，測得探測器第ij單元的響應(yīng)XT1ij；

（2） 在黑體溫度為T2 時，測得探測器第 ij單元的響應(yīng) XT2ij；

（3） 計算各個單元的校正系數(shù)。

在動態(tài)范圍下，T1 和T2 兩個標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)值分別為YT1 和YT2。標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)在理論上是可以任意指定的，但是應(yīng)該考慮定標(biāo)表示范圍和探測器的響應(yīng)范圍，則有：XT1ij=GijXT1ij+Qij， XT2ij=GijXT2ij+Qij 由上式可得：Gij=YT2－YT1XT2ij－XT1ij， Qij=YT1－GijXT1ij 所以任意單元的校正方程為：Yij=GijXij+Qij 由校正方程可以看到通過對每一個像元乘上一個增益Gij，然后加上一個偏差Qij，就可以完成像元的校正。

兩點定標(biāo)線性校正算法側(cè)重于從非均勻性產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)進(jìn)行校正，它需要對2個定標(biāo)點進(jìn)行測量，對每個探測器單元得到2個校正參數(shù)。該算法不僅對偏置進(jìn)行了校正，還對增益系數(shù)做了校正，校正的動態(tài)范圍比一點定標(biāo)線性校正算法明顯增大。如果探測器單元的響應(yīng)具有較好的線性度時，通過兩點定標(biāo)線性校正算法來進(jìn)行非均勻性校正，可以獲得較好的校正效果，且在兩個定標(biāo)點上的校正效果最好。該算法存儲數(shù)據(jù)量和計算量都較小，對每個探測單元只需存儲兩個校正參數(shù)，完成一次乘法和加法，所以算法用軟件或硬件都易于實現(xiàn)。

由于兩點定標(biāo)線性校正的兩個定標(biāo)點溫度差異較大，當(dāng)探測器工作在偏離定標(biāo)點溫度較遠(yuǎn)的環(huán)境時，探測器兩點定標(biāo)輸出的常溫測量值將會產(chǎn)生一定偏差，紅外圖像背景值偏高或偏低，表現(xiàn)為紅外圖像背景偏亮或偏暗，并出現(xiàn)輕微斑塊。本系統(tǒng)結(jié)合一點定標(biāo)校正與兩點定標(biāo)校正方法，將兩點校正與一點校正結(jié)合，即兩點加一點校正，在高低溫黑體輻射兩點校正的基礎(chǔ)上再與常溫黑體輻射進(jìn)行一點校正，對器件的偏置補償做進(jìn)一步修正，使常溫黑體輻射下各像元的響應(yīng)數(shù)據(jù)一致，令紅外圖像背景更加干凈（如圖4所示），常溫黑體用鏡頭上的黑體擋板充當(dāng)。

紅外圖像的非線性校正采用高、低溫黑體的兩點校正，并通過常溫黑體進(jìn)行偏移量的再次修正。通過紅外鏡頭內(nèi)黑體擋片的移動獲取常溫黑體溫度值，對該常溫黑體溫度值的每個像素利用上面的校正增益和初步校正偏移量進(jìn)行兩點校正，將校正值與未校正值結(jié)合進(jìn)行一點校正求取校正偏移量，該校正偏移量也被寫入FPGA的雙口存儲器中待用，以上操作由NiosⅡ軟核CPU完成。

實時紅外圖像采集進(jìn)來后，首先根據(jù)校正增益上的盲元標(biāo)記判斷相應(yīng)像素是否為盲元，盲元將被周圍8個像素的平均值代替，盲元替換后的紅外圖像與雙口存儲器中的校正增益和校正偏移量進(jìn)行兩點校正運算得到校正過的圖像數(shù)據(jù)（如圖5所示）。

圖5 紅外圖像校正流程圖這些運算由FPGA內(nèi)的嵌入式硬件乘法器配合進(jìn)行，運算速度快，保證了圖像的實時性。

圖6 非線性校正的部分Matlab程序及生成的模塊3 實驗結(jié)果分析

圖7是探測器非均勻性校正前的輸出圖像，能夠發(fā)現(xiàn)圖像存在明顯的縱向條紋噪音，圖像主要由噪聲及盲元組成，圖像的主體顯示不清，背景偏亮；右邊是通過非均勻校正處理后的圖像，校正算法很好地去除了盲元和條紋噪音，同時背景亮度有一定下降，這是兩點校正與一點校正結(jié)合后對器件的偏置補償做進(jìn)一步修正的結(jié)果。

非均勻校正一直是紅外圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)，本設(shè)計使用FPGA的片內(nèi)存儲器存儲系統(tǒng)計算好的校正系數(shù)，得用片內(nèi)乘法器實現(xiàn)校正計算，充分利用了FPGA的硬件資源，考慮了FPGA的結(jié)構(gòu)特點，實現(xiàn)了紅外圖像的實時處理。經(jīng)過理論分析和實驗效果比較，取得了良好的效果。