程 瑤，王玉菡，袁祥輝

（1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 重慶400050；2.重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶400044）

引言

紅外系統(tǒng)在理想情況下，紅外焦平面陣列受均勻輻射，輸出幅度應(yīng)完全一樣。但實(shí)際上，在制作器件的半導(dǎo)體材料不均勻、掩膜誤差、缺陷、工藝條件等影響下，焦平面陣列上各探測(cè)單元對(duì)于同一輻照的光電響應(yīng)不完全一致［1］，這就是紅外焦平面陣列響應(yīng)的非均勻性。

紅外圖像的非均勻性，是制約IRFPA發(fā)展和應(yīng)用的重要因素，不但降低了成像靈敏度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，還降低了成像系統(tǒng)的機(jī)械復(fù)雜程度，極大地限制了成像系統(tǒng)的性能發(fā)揮，特別在低對(duì)比度的紅外成像中，對(duì)成像質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，使獲取的圖像信號(hào)模糊、畸變，提取不出圖像信號(hào)特征，甚至使紅外傳感器失去其探測(cè)能力。因此，當(dāng)紅外探測(cè)器研制成功后，大多要完成基于輻射源的非均勻性參數(shù)測(cè)試以及校正過程［2］，產(chǎn)品在出廠前一般都會(huì)對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)校正，獲得IRFPA的增益和偏置校正矩陣［3］。非均勻性校正技術(shù)是研究紅外探測(cè)器及其成像應(yīng)用的關(guān)鍵課題之一。

1 非均勻性產(chǎn)生及定義

影響IRFPA傳感器非均勻性的因素比較多，包括探測(cè)像元響應(yīng)率或光譜響應(yīng)率的非均勻性，其次是信號(hào)讀出電路自身、讀出電路與探測(cè)器的耦合因素的噪聲，以及暗電流的非均勻性等［4］。由于探測(cè)器非均勻性產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，在探測(cè)器生產(chǎn)的過程中消除非均勻性是不現(xiàn)實(shí)的，只能通過非均勻性校正的方法才能有效降低其殘余的非均勻性［3］。IRFPA探測(cè)器的噪聲等于瞬態(tài)噪聲和空間噪聲的總和［5］。瞬態(tài)噪聲是光子噪聲、暗電流噪聲以及讀出電路噪聲共同作用的結(jié)果。而空間噪聲則是由IRFPA的非均勻性而造成的，也叫做固有的空間噪聲。瞬態(tài)噪聲的消除辦法可以通過多次測(cè)量求平均，而固有空間噪聲必須通過校正才可以消除［6］。紅外成像的非均勻性問題極大地限制了IRFPA成像系統(tǒng)的應(yīng)用，非均勻性的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致紅外成像系統(tǒng)溫度分辨率的降低，從而使得目標(biāo)圖像的成像效果受到嚴(yán)重影響。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 17444-1998《紅外焦平面陣列特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)規(guī)范》中對(duì)IRFPA非均勻性的定義進(jìn)行了詳細(xì)嚴(yán)格的規(guī)定，規(guī)范中指出非均勻性即是在均勻光照為1／2飽和曝光量的條件下，像元對(duì)應(yīng)的各個(gè)輸出信號(hào)的不均勻性?？梢杂酶鱾€(gè)像元輸出的均方根偏差與各輸出均值之比來表示［7］。

式中：Vavg為IRFPA探測(cè)器上所有有效像元的信號(hào)平均值；M和N 分別為IRFPA探測(cè)器光敏單元陣列的行數(shù)和列數(shù)；d為IRFPA探測(cè)器光敏單元陣列中的死像元的個(gè)數(shù)；h為過熱像元的個(gè)數(shù)。

在測(cè)量非均勻性大小時(shí)，系統(tǒng)采用電注入方式模擬光照的輸入。根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)非均勻性的定義，一般非均勻性大小的測(cè)量是在輸出幅值為飽和信號(hào)幅值的1／2時(shí)所測(cè)得的。這一條件下測(cè)得的非均勻性大小往往作為評(píng)價(jià)和比較器件性能的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。因此，在對(duì)IRFPA非均勻性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，通過調(diào)節(jié)注入電壓值Vtest使得輸出幅度為飽和電壓幅度的1／2，此時(shí)即可將各個(gè)像元的輸出采集到計(jì)算機(jī)中，扣除IRFPA的死像元及過熱像元后，按照公式（1）和（2）即可分別求出電壓平均值及NU值。各個(gè)像元輸出幅度與所有像元輸出幅度平均值的偏差，即可表征出讀出電路的不均勻性，記為NU。

同時(shí)在無信號(hào)注入的情況下，對(duì)于熱釋電型IRFPA讀出電路仍有輸出且幅度較大，其輸出值被稱為基準(zhǔn)電平。因此在進(jìn)行非均勻性測(cè)試時(shí)，需要先將采集到的像元輸出信號(hào)減去這個(gè)基準(zhǔn)電平。系統(tǒng)在測(cè)試之前，調(diào)節(jié)電注入輸入信號(hào)為0，此時(shí)采集的像元輸出信號(hào)即是基準(zhǔn)電平信號(hào)。對(duì)采集的多幀信號(hào)取平均值后即可作為基準(zhǔn)電平。在測(cè)試不均勻性參數(shù)時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)都要先減去這個(gè)基準(zhǔn)電平，然后才能按照非均勻性的定義公式進(jìn)行計(jì)算，通過統(tǒng)計(jì)分析即可得到測(cè)試結(jié)果。

為了便于快速測(cè)量計(jì)算出NU值，也可采用以下的定義方式。其定義為在均勻光照入射下，焦平面陣列像元中輸出的最大值與最小值之差的2倍同它們之和的百分?jǐn)?shù)比值。

式中：Vmax為焦平面上所有有效像元輸出的最大值；Vmin為焦平面上所有有效像元輸出的最小值。

2 非均勻性校正實(shí)驗(yàn)

2.1 校正算法

假定IRFPA像元的輸出信號(hào)與紅外目標(biāo)的輻射通量呈線性關(guān)系，即

式中：φij為第（i，j）個(gè)像元的輻射通量；Vij為第（i，j）個(gè)像元的輸出電壓；Rij為第（i，j）個(gè)像元的增益因子；θij為第（i，j）個(gè)像元的偏移因子，其中i代表像元所處的行數(shù)，且i＝1，2，…，M。j代表像元所處的列數(shù)，且j＝1，2…，N。M 與N 分別為IRFPA的行數(shù)和列數(shù)。

采用兩點(diǎn)定標(biāo)法，假設(shè)每個(gè)像元的響應(yīng)率呈線性關(guān)系，則校正方程應(yīng)為

式中：V′ij（φij）為非均勻性校正以后的各個(gè)像元輸出；Kij和Bij分別為各個(gè)像元對(duì)應(yīng)的待校正增益因子和校正偏置因子，且與目標(biāo)的輻射通量無關(guān)。

選取高低2個(gè)溫度點(diǎn)T1和T2，得到2個(gè)輻照度φ1和φ2下各個(gè)像元的輸出Vij（φ1）和Vij（φ2）。假設(shè)確定定標(biāo)點(diǎn)V標(biāo)準(zhǔn)（φ1）、V標(biāo)準(zhǔn)（φ2），把Vij（φ1）、Vij（φ2）和V標(biāo)準(zhǔn)（φ1）、V標(biāo)準(zhǔn)（φ2）分別作為輸入輸出，帶入（5）式中，即可得到校正的增益因子和校正的偏移因子，即

定標(biāo)點(diǎn)V標(biāo)準(zhǔn)（φ1）和V標(biāo)準(zhǔn)（φ2）輸出即是標(biāo)準(zhǔn)像元的輸出，標(biāo)準(zhǔn)像元的選取可以有3種方法。

1）靈敏度最大法

所謂的靈敏度最大法即在高低溫度點(diǎn)下像元的輸出Vij（φ1）和Vij（φ2）中將靈敏度最大的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)像元輸出，將其作為校正的定標(biāo)點(diǎn)輸出。分別取Vij（φ1）和Vij（φ2）數(shù)據(jù)中差值最大的2個(gè)數(shù)據(jù)作為非均勻性校正所需的定標(biāo)數(shù)據(jù)。

2）對(duì)應(yīng)灰度概率最大法

對(duì)應(yīng)灰度概率最大法即在高低溫度點(diǎn)下像元的輸出Vij（φ1）和Vij（φ2）中選取灰度概率最大的輸出作為標(biāo)準(zhǔn)像元輸出，將其作為校正的定標(biāo)點(diǎn)輸出。即在定標(biāo)數(shù)據(jù)中，某個(gè)灰度值出現(xiàn)的頻率是最大的，分別統(tǒng)計(jì)Vij（φ1）和Vij（φ2）數(shù)據(jù)中出現(xiàn)概率最多的值作為非均勻校正所需的定標(biāo)數(shù)據(jù)。

3）平均值法

平均值法即是利用高低溫度點(diǎn)下像元的輸出Vij（φ1）和Vij（φ2），分別取平均值，將其平均值作為定標(biāo)點(diǎn)，即：

將（6）式和（7）式得到的校正參數(shù)帶入（5）式，就可以得到各個(gè)像元校正后的輸出。

2.2 非均勻性校正實(shí)驗(yàn)

2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)采用虛擬儀器技術(shù)，利用軟件編程的方法設(shè)計(jì)非均勻性校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)采集到計(jì)算機(jī)內(nèi)模擬的圖像數(shù)據(jù)按照3種方式選取標(biāo)準(zhǔn)像元，并進(jìn)行非均勻性校正，最終輸出校正前后的波形圖并顯示出圖像。該系統(tǒng)構(gòu)建PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 非均勻性校正系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of nonuniformity correction

輻射源為熱釋電IRFPA探測(cè)器提供參考源。熱釋電IRFPA在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下正常工作輸出視頻信號(hào)，NI公司的PCI-6115數(shù)據(jù)采集卡在驅(qū)動(dòng)電路外部信號(hào)的控制下，對(duì)每一個(gè)像元輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采樣，并將采樣結(jié)果通過PCI總線傳入到PC計(jì)算機(jī)中。通過LabVIEW軟件平臺(tái)即可對(duì)采集卡進(jìn)行控制，并對(duì)采集的結(jié)果進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)，以便非均勻性測(cè)試以及非均勻性校正。

2.2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

校正系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括控制采集卡實(shí)現(xiàn)像元輸出信號(hào)的采集，非均勻性校正算法的程序?qū)崿F(xiàn)，以及對(duì)非均勻性的測(cè)試，校正前后結(jié)果的顯示。程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示；前面板如圖3所示。

本系統(tǒng)采用NI公司數(shù)據(jù)采集卡PCI-6115實(shí)現(xiàn)對(duì)IRFPA圖像數(shù)據(jù)的采集。采集參數(shù)的設(shè)置包括IRFPA的像元行列數(shù)、采樣的次數(shù)、采集通道的配置、采集信號(hào)耦合方式的設(shè)置、采樣時(shí)鐘源的設(shè)置、采集觸發(fā)條件、觸發(fā)邊沿、觸發(fā)響應(yīng)的設(shè)置等。采集圖像時(shí)按下“采集1”按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫條件下像元輸出的采集；按下“采集2”按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫條件下像元輸出的采集，采集好定標(biāo)數(shù)據(jù)后即可實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。通過標(biāo)準(zhǔn)像元選取控件，可以選擇3種標(biāo)準(zhǔn)像元，并將計(jì)算的各個(gè)像元校正的K、B值保存在系統(tǒng)中。當(dāng)按下“圖像采集”按鈕時(shí)，系統(tǒng)即可根據(jù)用戶需要對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行原始圖像的顯示、一點(diǎn)校正以及兩點(diǎn)校正。校正前后的數(shù)據(jù)可以通過三維圖進(jìn)行顯示對(duì)比，也可通過圖像顯示控件對(duì)校正前后的圖像進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)還提供了校正前后的不均勻性參數(shù)的測(cè)試，利用公式（3）實(shí)現(xiàn)NU計(jì)算并顯示NU值對(duì)比。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過運(yùn)行該系統(tǒng)，對(duì)120×160熱釋電探測(cè)器讀出電路采用電壓注入方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該探測(cè)器的非均勻性校正實(shí)驗(yàn)。從圖3三維波形圖上可以看出，校正后像元輸出的均勻性變好，NU值變小，圖像顯示從不均勻的西瓜紋圖像校正為均勻的同一色彩圖像。表1是對(duì)120×160熱釋電探測(cè)器讀出電路輸出信號(hào)注入低壓及高壓待校正數(shù)據(jù)后，采用不同方法進(jìn)行校正的NU值結(jié)果記錄。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)像元選取校正前后NU值對(duì)比Table 1 Contrast of value of NU before and after correction using different normal pixels

3 結(jié)論

通過非均勻性校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)120×160熱釋電IRFPA進(jìn)行了成功的校正實(shí)驗(yàn)。校正系統(tǒng)可以滿足不同像元熱釋電IRFPA探測(cè)器的非均勻性校正，系統(tǒng)可以直觀觀察校正的效果，并定量測(cè)試出NU值大小，對(duì)探測(cè)器參數(shù)的評(píng)價(jià)及應(yīng)用提供非常重要的參考依據(jù)。

通過校正實(shí)驗(yàn)可以看出，一點(diǎn)校正算法能對(duì)參考點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的非均勻性校正，當(dāng)校正數(shù)據(jù)與參考點(diǎn)相差較大時(shí)，一點(diǎn)校正算法不能對(duì)圖像進(jìn)行有效的校正，而兩點(diǎn)校正法能對(duì)高壓和低壓兩組數(shù)據(jù)的非均勻性進(jìn)行校正，且校正效果優(yōu)良。兩點(diǎn)校正算法選取的3種不同標(biāo)準(zhǔn)像元其校正效果不同，其中以平均值的像元為標(biāo)準(zhǔn)像元進(jìn)行非均勻性校正時(shí)，其得到的非均勻性NU值是最小的，說明其非均勻性的校正效果是3種像元選取方式中最好的。

［1］ 賀明，王新賽，路建方，等.一種新的紅外焦平面陣列非均勻性代數(shù)校正算法［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（6）：1217-1221.HE Ming，WANG Xin-sai，LU Jian-fang，et al.New algebraic scene-based non-uniformity correction in infrared focal plane array［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（6）：1217-1221.（in Chinese with an English abstract）

［2］ 金偉其，曹揚(yáng)，劉崇亮，等.一種具有自適應(yīng)非均勻校正功能的非制冷焦平面探測(cè)器組件［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009，30（2）：348-352.JIN Wei-qi，CAO Yang，LIU Chong-liang，et al.Uncooled infrared focal plane array detector module with the self-adaptive non-uniformity correction function［J］.Journal of Applied Optics，2009，30（2）：348-352.（in Chinese with an English abstract）

［3］ 陳寶國(guó)，樊養(yǎng)余，張學(xué)峰，等.紅外焦平面陣列非均勻性校正的改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［J］.紅外技術(shù)，2012，34（12）：690-694.CHEN Bao-guo，F(xiàn)AN Yang-yu，ZHANG Xue-feng，et al.An improved neural network algorithm for nonuniformity correction of IRFPA［J］.Infrared Technology，2012，34（12）：690-694.（in Chinese with an English abstract）

［4］ 孟麗婭.微測(cè)輻射熱計(jì)非均勻性及新型校正讀出電路研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2005.MENG Li-ya.Study on nonuniformity of microbolometer and new NUC readout circuit［D］.Chong Qing：Chongqing University，2005.（in Chinese）

［5］ 拜麗萍，殷世民，劉上乾.一種新的基于場(chǎng)景的紅外焦平面陣列非均勻性校正算法［J］.光子學(xué)報(bào)，2004，33（1）：109-112.BAI Li-ping，YIN Shi-min，LIU Shang-qian.A new scene-based nonuniformity correction algorithm in IRFPA［J］.Acta Photonica Sinica，2004，33 （1）：109-112.（in Chinese with an English abstract）

［6］ 童央群，郭繼昌.一種改進(jìn)的紅外焦平面非均勻性校正算法［J］.光電工程，2005，32（5）：35-37.TONG Yang-qun，GUO Ji-chang.Improved non-uniformity correction algorithm for infrared focal plane array detector［J］.Opto-Electronic Engineering，2005，32（5）：35-37.（in Chinese with an English abstract）

［7］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 .GB／T 17444-1998，紅外焦平面陣列特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.The state bureau of quality and technical supervision.GB／T17444-1998，The technical norms for measurement and test of characteristic parameters of infrared focal plane arrays［S］.Beijing：ISBN，1999.（in Chinese）

［8］ 程瑤，袁祥輝，孟麗婭.紅外視頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.激光與紅外，2008，38（5）：468-471.CHENG Yao，YUAN Xiang-hui，MENG Li-ya.Design of infrared video signals'acquisition system［J］.Laser ＆Infrared，2008，38（5）：468-471.（in Chinese with an English abstract）