盧曉春+婁宇+黃嘉

【摘要】 受材料及制造工藝的影響，紅外焦平面探測器均存在一定數(shù)量的盲元。并且隨著時間的推移，盲元數(shù)量會增加。盲元過多會影響紅外圖像質量，進而影響探測性能。本文研究了一套專用盲元標定系統(tǒng)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法，自動實現(xiàn)盲元位置檢測和盲元位置數(shù)據(jù)燒寫。經(jīng)驗證，該盲元標定系統(tǒng)能夠高效、準確的檢測出盲元，并進行盲元位置數(shù)據(jù)燒寫，使用方便。

【關鍵詞】 盲元檢測 自動標定 檢測算法

一、概述

隨著技術的進步和成本的降低，紅外焦平面探測器在國防和民用領域發(fā)揮著越來越重要的作用，然而受器件材料和制造工藝水平等因素的限制，紅外焦平面陣列器件在使用和存儲過程中不可避免地存在盲元，盲元是指響應過高或過低的探測單元，在圖像中表現(xiàn)為過亮點、過暗點或閃爍點[1]。

某型探測器隨著使用時間增加及多次應力篩選試驗后，有盲元數(shù)量增加現(xiàn)象，盲元的數(shù)量和分布對紅外圖像的信噪比、圖像質量產(chǎn)生很大的影響，如果盲元過多或者分布過于集中，將嚴重影響紅外圖像的視覺效果和探測性能，因此必須進行盲元檢測。而現(xiàn)有的探測器盲元標定方法為手工標定法，設置好作為均勻背景的黑體溫度，經(jīng)探測器成像后人工觀察圖像上的白點或者黑點，并記下坐標位置。把坐標位置數(shù)據(jù)按要求燒寫到探測器Flash芯片中。存儲在Flash芯片中的盲元位置數(shù)據(jù)信息在探測器工作狀態(tài)下由處理軟件調用，進而實現(xiàn)探測器盲元響應信號的平滑替代。該方法雖然能夠進行盲元標定，但需要人工參與儀器的設置、盲元位置的辨認，標定效率低，增加了成本和人為出錯的可能。

為此本文設計了一套全自動的盲元標定系統(tǒng)，通過RS422通訊控制，實現(xiàn)面源黑體溫度設置、探測器圖像信息自動采集。利用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法，自動完成盲元位置計算和盲元位置的數(shù)據(jù)燒寫，實現(xiàn)探測器盲元檢測的自動化，提高了工作效率，降低人為出錯的可能。

二、系統(tǒng)設計

2.1實現(xiàn)原理

盲元標定系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是面源目標模擬器和主控單元。目標模擬器為溫度可調的面源黑體，給探測器提供均勻的成像背景。主控單元用于目標模擬器溫度控制、探測器圖像數(shù)據(jù)采集、盲元位置計算、盲元數(shù)據(jù)燒錄等盲元標定工作[2]，其測試原理見圖1。

目標模擬器使用時固定在探測器前端，通過控制電纜與主控單元相連。主控單元通過RS422完成與供電供氣單元的通訊和探測器的通訊，圖像數(shù)據(jù)以LVDS格式進行傳輸。供電供氣單元完成待標定的探測器的供電、供氣。

2.2 主控單元

主控單元采用嵌入式計算機結構，主要由電源模塊、嵌入式控制器、LVDS采集模塊組成，組成示意圖見圖2。

電源模塊分為+27V和+24V電源模塊。其中+27V電源模塊為嵌入式控制器、LVDS采集模塊提供工作電源。+24V電源模塊為盲元檢測目標模擬器提供工作電源。

LVDS采集模塊完成探測器圖像數(shù)據(jù)采集工作。

嵌入式控制器通過USB2.0控制LVDS采集模塊全程采集，并根據(jù)采集到的探測器圖像數(shù)據(jù)，生成新增盲元的坐標數(shù)據(jù)。通過I/0接口設置探測器工作狀態(tài)。通過RS422和探測器進行通訊，回讀探測器Flash芯片中已有的盲元信息并存儲，把回讀的盲元信息和新增的盲元信息合并后，加載到探測器Flash芯片中。同時嵌入式控制器還實現(xiàn)對目標模擬器的溫度控制。

2.3目標模擬器

目標模擬器為面源輻射源，輻射系數(shù)高，全波段輻射。通過控制電纜與主控單元相連，通過主控單元實現(xiàn)目標模擬器的供電、溫度設置控制。溫度控制器采用PID數(shù)字調節(jié)儀控溫，控溫精度高。工作溫度范圍為室溫～150℃，溫度穩(wěn)定性好，升溫速度快。

2.4軟件設計

盲元標定軟件由兩部分組成，控制軟件和標定軟件?？刂栖浖\行在供電供氣單元中，標定軟件運行在盲元標定系統(tǒng)中。盲元標定軟件采用NI公司LabWindows/CVI工具進行開發(fā)，運行在Windows操作系統(tǒng)下，盲元標定軟件的流程見圖3。

標定軟件運行在主控單元的計算機上，收到控制軟件的任務開始指令后，按設定好的條件完成探測器圖像數(shù)據(jù)的采集和存儲，根據(jù)采集到的探測器圖像數(shù)據(jù)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法，生成新增盲元的坐標數(shù)據(jù)[3] [4]。此時標定軟件向控制軟件發(fā)送圖像采集完成指令，供電供氣單元停止向探測器供電。盲元檢測完成以后，盲元標定系統(tǒng)自動通過I/O設置使探測器處于串行加載模式，供電供氣單元給探測器重新上電。嵌入式控制器通過RS422通訊，獲取探測器已有盲元的位置信息。將探測器已有的盲元信息和新增盲元信息重新排序組合，生成完整的盲元位置信息，并通過RS422發(fā)送到探測器Flash芯片中。標定軟件按照既定的流程自動完成盲元位置檢測、盲元位置寫入，結束后向控制軟件返回任務完成指令，供電供氣單元停止對探測器供電、供氣。

三、關鍵技術

3.1盲元檢測流程

盲元標定流程分成兩部分：盲元檢測和盲元位置燒寫。盲元檢測用來獲取新增盲元在探測器中的位置，盲元位置燒寫是把盲元位置信息燒寫到探測器Flash芯片。探測器工作時能夠自動從Flash芯片中獲取盲元位置信息，進行自適應處理。

盲元檢測的流程如下，盲元標定系統(tǒng)通過RS422串口自動控制黑體設置黑體溫度為T0，待探測器致冷好正常和黑體溫度穩(wěn)定以后，自動采集探測器圖像數(shù)據(jù)并進行存儲。然后設置黑體溫度為T1，待黑體溫度穩(wěn)定后，采集探測器圖像數(shù)據(jù)并進行存儲。根據(jù)兩個溫度點采集的圖像數(shù)據(jù)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法，生成新增盲元的坐標數(shù)據(jù)。

3.2雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法

目前盲元檢測算法有很多，包括雙參考輻射源現(xiàn)場自動檢測和插值補償，基于環(huán)境溫度差異的盲元檢測算法，基于“3σ”原則的盲元檢測等[5] [6]。本文采用的雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元檢測算法基于“3σ”原則，針對實際使用的探測器的特點，對其進行改進，采用了“3.5σ”自適應閾值。由于“3.5σ”對原始圖像直接進行檢測容易造成全局漏判，局部過判。然而把“3.5σ”應用到圖像的子區(qū)域中，就能夠解決上述問題。選用滑動窗口機制，以某一個像元為中心，取一個（2n+1）×（2n+1）的窗口，通過求窗內像元的均值與標準差來判斷該中心像元是否為盲元。

使用面源黑體作為雙參考輻射源，提供兩種具有灰度差的均勻背景。對于圖像中心5×5區(qū)域內，采用像元變化響應率進行判斷。對于圖像中心5×5區(qū)域外，利用基于滑動窗口的“3.5σ”自適應閾值進行盲元檢測。

經(jīng)過理論分析和試驗，當n為4時盲元檢測精度最高。經(jīng)過大量試驗驗證，該算法能夠有效的檢測出盲元，使探測器處于更加穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有利于工程應用。算法具體實現(xiàn)步驟如下。

以（i，j）為中心進行加窗，并計算以（i，j）為中心像元時窗內像元均值ц（i，j）與標準差σ（i，j）；

計算中心像元灰度值與均值的偏差e（i，j）=|f（i，j）-ц（i，j）|；

判斷e（i，j）是否大于3.5σ（i，j），如果是則判定為盲元，并記錄當前的坐標（i，j），進入下一步，否則直接進入下一步；

計算圖像中心5×5區(qū)域內的每個像元響應與圖像中心9×9區(qū)域內響應均值的差與均值比，超出±15%，判斷為盲元；

將窗口中心移動到下一個像元，返回a）步，直到中心像元掃描完所有像元。

其中閾值的計算公式如下所示。

式中：σ（i，j）是 中心坐標為（i，j）的窗口像元灰度標準差；

f（k，l）為窗內像元灰度值，其中k≠ i，l≠ j；

μ（i，j）為中心坐標（i，j）的窗口像元的灰度平均值。

四、結束語

該盲元標定系統(tǒng)采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應閾值盲元算法，能夠有效的檢測盲元，實現(xiàn)了盲元的自動標定，提高了工作效率，具有良好的可靠性和安全性。已在某型探測器的盲元標定中進行了應用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠，能夠高效、準確的實現(xiàn)紅外焦平面陣列探測器的盲元檢測和標定。

參 考 文 獻

[1] 白俊奇，蔣怡亮 .紅外焦平面陣列探測器盲元檢測算法研究 紅外技術. 2011年4月.

[2] 伍乾永，陳彬，基于FPGA的實時圖像采集模塊設計[J].微電子學，2008，38（3）：453-456.

[2] Boltar K O，Bovina L A Saginov L D， et al.IR imager based on a 128×128 HgCdTe staring focal arrays[C]// Proc.SPIE，1999，3819：92-95.

[4] Dieickx B， Meynants G.Missing pixels correction algorithm for imager sensors[C]//Proc. SPIE，1998，3410：200-203。

[5] 張熙寧. 一種改進的紅外焦平面陣列盲元檢測算法 激光與紅外. 2010年10月.

[6] 顧國華. 基于滑動窗口與多幀補償?shù)淖赃m應盲元檢測與補償算法. 紅外技術 2010年7月.