頓雄，范永杰，2，金偉其，王霞

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京100081;2. 昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明650504)

0 引言

熱成像技術(shù)利用景物自身輻射差異獲取圖像細(xì)節(jié)，由于具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、可全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、商業(yè)、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。目前，針對(duì)目標(biāo)景物輻射變化范圍大，強(qiáng)輻射和極弱輻射探測(cè)需求多等問題，高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)成像研究已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域［2-8］。通常，提高熱成像動(dòng)態(tài)范圍方法主要有調(diào)節(jié)積分時(shí)間［4-7］、細(xì)節(jié)增強(qiáng)［8］等。其中，積分時(shí)間tI控制著探測(cè)器積分電容累積光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電荷的時(shí)間，與探測(cè)器最終的輸出信號(hào)、暗電流噪聲等有著直接的關(guān)系，是改變紅外焦平面陣列(IRFPA)動(dòng)態(tài)范圍最有效和直接的方法之一，同時(shí)積分時(shí)間變化也會(huì)引起系統(tǒng)的非均勻性變化［9］。即改變探測(cè)器積分時(shí)間，會(huì)使IRFPA 系統(tǒng)的圖像產(chǎn)生新的非均勻性噪聲，需要重新進(jìn)行非均勻校正(NUC)處理。

通常NUC 方法有基于參考源的定標(biāo)類校正(CBNUC)方法(如單點(diǎn)法［10］、兩點(diǎn)法［11］、多點(diǎn)法［12］等)和基于場(chǎng)景的自適應(yīng)校正(SBNUC)方法(如恒定統(tǒng)計(jì)法［13］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［14］、高通濾波法［15］等)。兩點(diǎn)校正法是能兼顧計(jì)算精度和效率的常用方法之一，但兩點(diǎn)校正具有增益和偏置兩個(gè)校正參量，理論上需提供高溫和低溫目標(biāo)場(chǎng)景才能實(shí)現(xiàn)有效校正。雖然通過預(yù)先標(biāo)定不同積分時(shí)間下的NUC 矩陣是目前可用的方法，但對(duì)于隨著環(huán)境溫度變化和工作時(shí)間而產(chǎn)生非均勻性噪聲，預(yù)存的校正參數(shù)往往偏離預(yù)期，難以有效實(shí)現(xiàn)NUC，仍需動(dòng)態(tài)NUC 處理。因此，對(duì)于通過調(diào)整積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)HDR 實(shí)時(shí)成像的IRFPA 成像系統(tǒng)，提高NUC 參數(shù)矩陣的修正速度，對(duì)于HDR 熱成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。為此，本文擬從IRFPA 響應(yīng)模型出發(fā)，分析熱成像系統(tǒng)兩點(diǎn)NUC 參數(shù)與積分時(shí)間之間的關(guān)系，為提高HDR 熱成像系統(tǒng)NUC 處理速度奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 積分時(shí)間對(duì)非均勻性噪聲的影響

為了說明曝光積分時(shí)間tI對(duì)IRFPA 非均勻性噪聲的影響，對(duì)實(shí)際HgCdTe 中波320 像素×256 像素焦平面熱成像系統(tǒng)(噪聲等效溫差40 mK)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

首先在tI= 1.0 ms 的情況下，采集15 ℃和35 ℃面型黑體的圖像完成定標(biāo)，獲得兩點(diǎn)NUC 的增益和偏置校正參數(shù)矩陣。然后，基于這組校正參數(shù)，在tI分別為1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms、2.5 ms 的條件下，對(duì)25 ℃面型黑體圖像進(jìn)行兩點(diǎn)校正，得到的校正圖像如圖1所示。

圖1 不同積分時(shí)間tI下的黑體圖像Fig.1 Images of blackbody at different tI

由圖1可見:在與定標(biāo)相同的積分時(shí)間1.0 ms下，圖像較為均勻，校正效果良好;隨著積分時(shí)間的增加，圖像中出現(xiàn)的亮點(diǎn)逐漸增多，非均勻性也逐漸惡化，出現(xiàn)中心亮四周暗的情況。實(shí)驗(yàn)說明，在調(diào)整探測(cè)器積分時(shí)間時(shí)，必須考慮新增非均勻性噪聲對(duì)熱成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。

2 制冷焦平面熱成像系統(tǒng)的響應(yīng)模型

制冷型IRFPA 探測(cè)器的輸出包括目標(biāo)景物輻射、系統(tǒng)雜散輻射、探測(cè)器暗電流、處理電路偏置、時(shí)間噪聲等。

依據(jù)文獻(xiàn)［16］，制冷型IRFPA 探測(cè)器的輸出電荷Qo(T)(電荷數(shù)/s)與目標(biāo)景物輻射的關(guān)系為

式中:η 為探測(cè)器的量子效率;Adet為探測(cè)單元面積;λ1和λ2分別為探測(cè)器響應(yīng)波段的下界和上界;Mo(λ，T)為光子光譜輻射出射度;ε (λ，T)為景物的光譜比輻射率;F 為成像紅外系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的F 數(shù);

系統(tǒng)雜散輻射產(chǎn)生的電荷輸出與系統(tǒng)環(huán)境溫度Ts有關(guān)，其電荷輸出為

式中:S(Ts)為系統(tǒng)雜散輻射函數(shù)，與探測(cè)器響應(yīng)和環(huán)境溫度Ts有關(guān)。當(dāng)Ts和探測(cè)器響應(yīng)狀況無變化時(shí)，其對(duì)每個(gè)單元探測(cè)器為一個(gè)常量。

探測(cè)器暗電流Id指無任何輻照時(shí)探測(cè)器的輸出電流，在tI內(nèi)探測(cè)器暗電流產(chǎn)生的電荷數(shù)為

假設(shè)處理電路的偏置電荷數(shù)為Qb，時(shí)間噪聲電荷數(shù)為Qn，則系統(tǒng)的電荷輸出為

3 兩點(diǎn)NUC 參數(shù)與探測(cè)器積分時(shí)間

由(5)式可得單個(gè)探測(cè)器單元的電荷輸出為

式中:i 為第i 個(gè)探測(cè)器。

兩點(diǎn)NUC 公式為

式中:Yi(T)為第i 個(gè)探測(cè)器校正后的輸出;［gi，bi］為第i 個(gè)探測(cè)器的增益和偏置校正參數(shù)。

兩點(diǎn)NUC 中，通過熱成像系統(tǒng)分別對(duì)高溫TH和低溫TL的面型黑體成像，可得校正參數(shù):

式中:Y(T)為目標(biāo)景物溫度為T 時(shí)焦平面探測(cè)器所有單元輸出電荷的均值，即

式中:M 和N 分別為探測(cè)器的行數(shù)和列數(shù)。

將(6)式、(7)式、(9)式代入(8)式，可得

可見:在兩點(diǎn)NUC 法中，增益校正參數(shù)gi與探測(cè)器的積分時(shí)間tI無關(guān)，僅與光學(xué)系統(tǒng)及探測(cè)器響應(yīng)(Ai)等相關(guān);偏置校正參數(shù)bi除了與Ai有關(guān)外，還與積分時(shí)間tI、探測(cè)器暗電流、系統(tǒng)雜散輻射函數(shù)等密切相關(guān)。

以上分析也表明:在HDR 焦平面熱成像的線性或近似線性響應(yīng)區(qū)域，改變探測(cè)器積分時(shí)間只影響兩點(diǎn)校正法的偏置校正參數(shù)，不影響增益校正參數(shù)。因此，在完成實(shí)驗(yàn)室或出廠基于輻射源的CBNUC之后，熱成像系統(tǒng)若希望通過改變探測(cè)器的積分時(shí)間，來適應(yīng)HDR 場(chǎng)景成像時(shí)，只需對(duì)探測(cè)器的偏置校正參數(shù)矩陣進(jìn)行修正，即可完成系統(tǒng)的NUC，勿需對(duì)增益校正參數(shù)矩陣進(jìn)行校正。

4 實(shí)際熱成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用上述中波制冷焦平面熱成像系統(tǒng)和美國EOI 公司的面型溫差黑體源進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 驗(yàn)證熱成像系統(tǒng)積分時(shí)間與NUC 參數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup for the validation of relationship between integral time and NUC parameters

采集熱成像系統(tǒng)在0 ms、0.5 ms、1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms、2.5 ms 五種積分時(shí)間下，溫度范圍5 ℃～95 ℃、間隔10 ℃的黑體圖像。計(jì)算圖像灰度隨積分時(shí)間和溫度的關(guān)系，并繪制成探測(cè)器溫度響應(yīng)隨積分時(shí)間變化曲線圖，如圖3所示。由圖3可以看出，除在探測(cè)器響應(yīng)范圍的底部和頂部存在一定非線性外，探測(cè)器響應(yīng)范圍的中部線性度較高，近似成一條直線。

圖3 探測(cè)器溫度響應(yīng)隨積分時(shí)間變化曲線圖Fig.3 Detector temperature responses as a function of tI

進(jìn)一步按如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn):

1)tI分別為0.5 ms、1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms 時(shí)，分別獲取黑體溫度5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃的原始圖像;

2)tI為1.0 ms 時(shí)獲取的15 ℃和35 ℃面型黑體圖像分別作為低溫和高溫場(chǎng)景，利用(9)式計(jì)算紅外系統(tǒng)NUC 的增益和偏置校正參數(shù)矩陣;

3)將步驟2 獲取的增益校正參數(shù)帶入(8)式，分別以tI為0.5 ms、1.5 ms、2.0 ms 時(shí)15 ℃面型黑體圖像，計(jì)算對(duì)應(yīng)積分時(shí)間下的偏置校正參數(shù);

4)利用步驟2 和步驟3 獲得的增益和偏置校正參數(shù)分別對(duì)0.5 ms、1.5 ms、2.0 ms 對(duì)應(yīng)的5 ℃、25 ℃、45 ℃面型黑體圖像進(jìn)行NUC(簡(jiǎn)稱A 方法);

5)利用各個(gè)積分時(shí)間時(shí)的15 ℃和35 ℃黑體圖像，對(duì)相應(yīng)積分時(shí)間下的5 ℃、25 ℃、45 ℃面型黑體圖像進(jìn)行兩點(diǎn)校正(簡(jiǎn)稱B 方法);

6)利用各個(gè)積分時(shí)間時(shí)的15 ℃面型黑體圖像，對(duì)相應(yīng)積分時(shí)間時(shí)5 ℃、25 ℃、45 ℃的黑體圖像進(jìn)行一點(diǎn)校正(簡(jiǎn)稱C 方法);

7)對(duì)各種方法得到的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。

依據(jù)上述步驟采集并計(jì)算了tI分別為0.5 ms、1.5 ms和2.0 ms 時(shí)，A 方法、B 方法、C 方法校正前后的圖像直方圖及其灰度標(biāo)準(zhǔn)差，圖4和圖5為其中兩組圖像直方圖。表1給出了相應(yīng)的灰度標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 不同tI和黑體溫度T 的圖像及校正圖像標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1 Standard deviation of the original and corrected blackbody images with different T and tI

由圖4、圖5可見:A 方法與B 方法相比，具有近似相同的校正效果，且校正效果優(yōu)于C 方法，特別是遠(yuǎn)離校正溫度(15 ℃)時(shí)，校正圖像效果更加明顯。這說明在不同積分時(shí)間下，系統(tǒng)NUC 增益校正參數(shù)沒有變化，只校正偏置校正參數(shù)是合理可行的，與本文推導(dǎo)的結(jié)論一致。由表1還可以看出，當(dāng)積分時(shí)間增加時(shí)，B 方法在高溫45 ℃時(shí)，殘留非均勻性的標(biāo)準(zhǔn)差由5 變?yōu)榱?，而A 方法殘留非均勻性的標(biāo)準(zhǔn)差由5 變?yōu)榱?0，且A 方法的標(biāo)準(zhǔn)差均大于B 方法。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于系統(tǒng)響應(yīng)的非線性效應(yīng)，隨著積分時(shí)間的增加，相同的目標(biāo)溫度區(qū)域?qū)?yīng)于系統(tǒng)電子勢(shì)阱的不同區(qū)域，使得單元探測(cè)器的A1i發(fā)生了變化，即實(shí)際NUC 增益校正參數(shù)發(fā)生了變化，若仍然用以前的增益校正參數(shù)進(jìn)行校正，則必然增大其殘留非均勻性的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4 0.5 ms 時(shí)不同溫度黑體圖像及其校正圖像的直方圖Fig.4 Histograms of the original and corrected blackbody images with different temperatures and tI =0.5 ms

為了獲得對(duì)實(shí)際場(chǎng)景圖像的處理效果比較，進(jìn)一步分別采集了積分時(shí)間為0.5 ms、1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms、2.5 ms 的擋板和實(shí)際場(chǎng)景原始14 bit 圖像;采用基于1.0 ms 時(shí)15 ℃和35 ℃黑體圖像獲得的增益校正參數(shù)及相應(yīng)積分時(shí)間下?lián)醢鍒D像生成的偏移校正參數(shù)，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景圖像進(jìn)行了NUC 處理，最后將校正后14 bit 圖像通過線性方式壓縮為8bit 圖像，從圖6顯示的圖像很難分辨出這些圖像間的差別，這也再次說明同一組增益數(shù)據(jù)在不同積分時(shí)間下應(yīng)用的可行性。

圖5 2.0 ms 時(shí)不同溫度黑體圖像及3 種方法校正后圖像直方圖Fig.5 Histograms of the original and corrected blackbody images with different temperatures and tI =2.0 ms

圖6 增益校正參數(shù)不變、只更新偏置校正參數(shù)時(shí)不同積分時(shí)間獲取的線性壓縮后的實(shí)際場(chǎng)景校正圖像Fig.6 Linear compression images obtained by different tI and different bias parameters but same gain parameters

5 結(jié)論

在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，各種火焰、干擾彈都會(huì)對(duì)紅外成像制導(dǎo)形成嚴(yán)重干擾，采用不同積分時(shí)間的HDR 熱成像技術(shù)是適應(yīng)強(qiáng)輻射干擾條件下高性能場(chǎng)景成像的重要手段之一。由于積分時(shí)間直接影響IRFPA 的非均勻性，因此，提高動(dòng)態(tài)NUC 速度成為HDR 熱成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了在IRFPA 系統(tǒng)的線性或近似線性響應(yīng)區(qū)域，系統(tǒng)的NUC 增益校正參數(shù)與積分時(shí)間無關(guān);當(dāng)調(diào)整積分時(shí)間時(shí)，只需更新NUC 偏置校正參數(shù)。目前，在熱成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)NUC 過程中，通過切入均勻擋板的CBNUC 及各種基于場(chǎng)景的SBNUC 算法可方便地實(shí)現(xiàn)NUC 偏置校正參數(shù)矩陣校正，因此，在HDR 熱成像中可以通過預(yù)存若干不同環(huán)境下的NUC 增益校正參數(shù)矩陣，在實(shí)際應(yīng)用中只需通過對(duì)偏置參數(shù)矩陣的校正，即可實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間變化時(shí)的非均勻性動(dòng)態(tài)校正，保證強(qiáng)輻射干擾條件下目標(biāo)場(chǎng)景的高性能熱成像。

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