崔磊，劉智

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

短波紅外相機(jī)響應(yīng)非均勻性校正方法研究及仿真

崔磊，劉智

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

介紹短波紅外相機(jī)非均勻性校正的兩種基本方法，兩點(diǎn)校正法以及多點(diǎn)校正法，同時(shí)提出改進(jìn)算法即定標(biāo)和場(chǎng)景融合的校正算法。此方法能夠自適應(yīng)克服紅外焦平面陣列探測(cè)單元的響應(yīng)漂移現(xiàn)象，克服外界環(huán)境改變帶來(lái)的校正誤差，實(shí)現(xiàn)短波紅外相機(jī)在工作時(shí)間延長(zhǎng)和多變環(huán)境情況下的高精度實(shí)時(shí)非均勻性校正，且不需要重新定標(biāo)，方法簡(jiǎn)單，效果明顯。采用像元數(shù)為320×256的紅外焦平面陣列進(jìn)行紅外相機(jī)非均勻性實(shí)時(shí)校正實(shí)驗(yàn)，并將三種方法用MATLAB軟件分別進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目的，校正效果良好。

紅外焦平面陣列；探測(cè)單元；增益；偏移量

短波紅外成像技術(shù)可提供可見(jiàn)光、微光夜視、中波、長(zhǎng)波紅外成像所不能提供的信息，對(duì)于在紅外波段獲取完整目標(biāo)信息具有重要意義，所以短波紅外相機(jī)的應(yīng)用前景是無(wú)可估量的［1］。它既可用于紅外焦平面夜視，紅外成像制導(dǎo)及光電對(duì)抗等軍事領(lǐng)域，又可應(yīng)用在紅外天文學(xué)、醫(yī)療、交通、公安等生活領(lǐng)域，軍民兩用，適用范圍十分廣泛［2］。由于受材料、環(huán)境以及工藝水平的影響，紅外焦平面陣列響應(yīng)非均勻性比較大，制約紅外系統(tǒng)探測(cè)性能，難以達(dá)到實(shí)用要求［3］。當(dāng)短波紅外相機(jī)進(jìn)行激光測(cè)量時(shí)，其非均勻性校正便變得格外重要。良好的均勻性會(huì)讓測(cè)試結(jié)果更精準(zhǔn)，更貼合實(shí)際。因此，對(duì)紅外圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)非均勻性校正，以便獲取精準(zhǔn)圖像已成為紅外成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中勢(shì)不可擋的趨勢(shì)［4］。

本文介紹兩點(diǎn)校正法、多點(diǎn)校正法，在此基礎(chǔ)上提出定標(biāo)和場(chǎng)景融合的校正新算法，并利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)紅外圖像非均勻性實(shí)時(shí)校正的過(guò)程。

1 非均勻性校正的基本方法

1.1 兩點(diǎn)校正法

兩點(diǎn)校正法是較早用于紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行校正的一種方法，并且也是目前最為成熟的方法之一［5］。

兩點(diǎn)校正法建立在如下2個(gè)假設(shè)條件情況下：

（1）每個(gè)探測(cè)單元的響應(yīng)是線性的；

（2）探測(cè)單元的響應(yīng)必須具有時(shí)間的穩(wěn)定性，否則定標(biāo)數(shù)據(jù)在使用時(shí)就會(huì)失去意義［6］。在此條件下，紅外焦平面陣列在均勻輻射背景下任一像元的響應(yīng)輸出為：

式中，Xij(φ)為探測(cè)元的響應(yīng)輸出值；φ為輻射通量；Mij和Nij為焦平面陣列第i行第 j列探測(cè)元的增益和偏移量。因此，采用此方法得到非均勻性校正公式為：

式中，Kij和Bij分別為兩點(diǎn)校正中的校正增益和校正偏移量；Xij(φ)為校正前的探測(cè)單元響應(yīng)值，Yij(φ)為校正后的輸出值。

兩點(diǎn)校正即是特定條件光源均勻照射紅外圖像傳感器，通過(guò)各陣列元對(duì)不同輻射通量的響應(yīng)計(jì)算出Kij和Bij從而實(shí)現(xiàn)非均勻性校正。將所有陣列元在輻射通量下的響應(yīng)分別歸一化為 Xn(φ1)和Xn(φ2)。

則校正增益和校正偏移量可通過(guò)下式（4）計(jì)算出：

其中，Xij(φ1)和Xij(φ2)分別為像元（i，j）在輻射通量φ1、φ2背景下的響應(yīng)。再根據(jù)公式（2），即可實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)校正。

1.2 多點(diǎn)校正法

歡迎李嶠汝重新回到鄭州的午宴安排在河南飯店。河南飯店現(xiàn)在雖說(shuō)只剩個(gè)虛名，畢竟還掛著河南兩個(gè)字。愧疚，補(bǔ)償，總得有個(gè)表達(dá)的形式，蘇楠理解姥姥他們的心理。飯桌上，姥姥不時(shí)絮叨出一些蘇楠她們根本就沒(méi)有記憶的往事。蘇楠和李嶠汝都很配合，兩個(gè)人頭還湊到一起自拍了張照片。李嶠汝傳到微信上，配的文字是，3 0多年前的親姐妹。蘇楠不甘落后，在下面回復(fù)糾正，3 0多年后也是親姐妹。

兩點(diǎn)校正法建立在紅外焦平面陣列探測(cè)單元響應(yīng)是線性假設(shè)條件下，這種假設(shè)是理想化的，實(shí)際情況并非如此［7］。對(duì)于要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，即可采用多點(diǎn)校正法來(lái)降低非線性帶來(lái)的誤差，即分段采用兩點(diǎn)校正法，如下圖1所示：

根據(jù)兩點(diǎn)校正公式的推導(dǎo)過(guò)程可得到多點(diǎn)校正的k-1段線性區(qū)間內(nèi)的校正系數(shù)為：

則：

式中，Kij(φl(shuí))和Bij(φl(shuí))分別為多點(diǎn)校正中第l個(gè)區(qū)間內(nèi)的校正增益和校正偏移量，Xij(φ)為探測(cè)元響應(yīng)表輸入值，Yij(φ)為校正后輸出值。

2 非均勻性校正的改進(jìn)算法

前面介紹了兩種常用的非均勻性校正算法，算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)和環(huán)境的復(fù)雜多變，焦平面陣列各探測(cè)單元的響應(yīng)會(huì)發(fā)生緩慢漂移，這就會(huì)給定標(biāo)類算法帶來(lái)新的校正誤差。而場(chǎng)景類校正算法不需要定標(biāo)，能夠自適應(yīng)跟隨探測(cè)單元的響應(yīng)漂移，但算法量大，難以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。在此提出一種新方法，即定標(biāo)和場(chǎng)景融合校正方法。此法結(jié)合定標(biāo)類算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)特點(diǎn)和場(chǎng)景類算法自適應(yīng)跟蹤漂移特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列在長(zhǎng)時(shí)間工作和復(fù)雜環(huán)境條件下的高精度實(shí)時(shí)非均勻性校正。

定標(biāo)和場(chǎng)景融合校正方法將多點(diǎn)定標(biāo)和場(chǎng)景算法相結(jié)合，通過(guò)相關(guān)系數(shù)來(lái)修正非均勻性偏移參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)紅外場(chǎng)景圖像的自適應(yīng)非均勻性校正。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

由多點(diǎn)校正通用公式可知紅外焦平面陣列非均勻性校正表達(dá)式如下：

式中，系數(shù)Kij（φl(shuí)）和Bij(φl(shuí))表達(dá)式分別為

圖2 定標(biāo)和場(chǎng)景融合校正算法實(shí)現(xiàn)流程圖

圖3 紅外焦平面陣列各探測(cè)元響應(yīng)漂移圖

如圖3所示，橫坐標(biāo)表示功率，縱坐標(biāo)表示紅外焦平面陣列探測(cè)元響應(yīng)輸出值。由圖可知，當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，探測(cè)單元的偏移系數(shù)漂移較大，增益系數(shù)漂移較小。因此，可通過(guò)消除非均勻性校正偏移系數(shù)漂移來(lái)減少非均勻性校正誤差。校正過(guò)程中所使用的紅外特征模板圖像在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下獲取，紅外場(chǎng)景圖可在外場(chǎng)環(huán)境下或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境變化時(shí)獲取。在相同輻射通量下，紅外特征模板圖像跟場(chǎng)景圖像之間存在一定漂移現(xiàn)象并且具有一定相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)P的表達(dá)式為：式中，Xij和分別表示場(chǎng)景圖像及其均值；Vij(φl(shuí))和(φl(shuí))分別表示特征模板圖像及其均值。

在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合多點(diǎn)校正公式即得到定標(biāo)和場(chǎng)景融合校正算法公式為：

式中，Kij和Bij分別表示為探測(cè)單元的增益和偏移系數(shù)；P為場(chǎng)景圖像與特征模板圖像的相關(guān)系數(shù)，RBij表示修正后的偏移系數(shù)；Xij和Yij分別表示非均勻性校正前后的紅外場(chǎng)景圖像。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 兩點(diǎn)校正法

紅外焦平面陣列探測(cè)元的響應(yīng)輸出隨激光器功率變化趨勢(shì)如下：

圖4 紅外焦平面陣列各探測(cè)單元響應(yīng)曲線圖

圖4橫坐標(biāo)為激光器功率 p，縱坐標(biāo)為各探測(cè)單元響應(yīng)輸出值。根據(jù)圖4，可以選取不同的 p1，p2作為定標(biāo)點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行校正，但校正結(jié)果會(huì)隨p1，p2的變化受到影響。

表1 不同p1，p2校正0.1μW條件下圖片的非均勻性NU計(jì)算結(jié)果

由表1可知：環(huán)境溫度26℃，積分時(shí)間2ms，p1=0.05μW，p2=0.8μW時(shí)，非均勻性達(dá)到最小為0.87%。此時(shí)，圖5為功率為0.1μW條件下未校正的圖片，圖6為采用兩點(diǎn)校正法校正的圖片：

圖5 未校正的圖片

圖6 兩點(diǎn)法校正后的圖片

下面計(jì)算上圖中圖像校正前后的非均勻性。原始圖像（4）非均勻性：

兩點(diǎn)校正后的圖像（5）非均勻性：

圖7為激光器功率0.01μW條件下兩點(diǎn)法校正前后三維空間對(duì)比結(jié)果，圖中，水平面代表陣列為320*256的紅外焦平面陣列，縱坐標(biāo)代表各個(gè)探測(cè)單元響應(yīng)灰度值。

圖7 兩點(diǎn)法校正前后三維空間對(duì)比圖

由上述計(jì)算結(jié)果可以得到：兩點(diǎn)校正后圖片非均勻性顯著下降，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3.2 多點(diǎn)校正法

根據(jù)線性趨勢(shì)將圖像以0.1μW為間隔將區(qū)間劃分多段，每段均按照兩點(diǎn)法進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變。圖8為采用多點(diǎn)校正法后得到的功率為0.1μW條件下的校正圖片：

圖8 多點(diǎn)法校正后的圖片

多點(diǎn)校正后的圖（7）非均勻性：

圖9為激光器功率0.45μW條件下多點(diǎn)法校正前后三維空間對(duì)比結(jié)果：

圖9 多點(diǎn)法校正前后三維空間對(duì)比圖

由上述計(jì)算結(jié)果可以得到：多點(diǎn)校正后圖片非均勻性優(yōu)于兩點(diǎn)校正，效果顯著，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3.3 定標(biāo)與場(chǎng)景融合新算法

對(duì)紅外場(chǎng)景圖像分別進(jìn)行多點(diǎn)校正以及定標(biāo)與場(chǎng)景融合校正方法校正，當(dāng)積分時(shí)間2ms，功率為0.45W條件下仿真結(jié)果分別如下圖10、圖11：

圖10 原始多點(diǎn)法校正后的圖片

圖11 改進(jìn)算法校正后的圖片

運(yùn)用多點(diǎn)校正法以及定標(biāo)與場(chǎng)景融合校正方法校正后圖像的非均勻性分別為：

三維空間對(duì)比結(jié)果如圖12所示：

圖12 原始多點(diǎn)法及改進(jìn)算法校正后三維空間對(duì)比圖

由圖12可看出，定標(biāo)與場(chǎng)景融合新算法明顯好于原始多點(diǎn)校正法。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，短波紅外相機(jī)采集的圖像經(jīng)兩點(diǎn)校正法及多點(diǎn)校正法校正之后具有非均勻性顯著下降，校正過(guò)程簡(jiǎn)單，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地解決紅外成像技術(shù)中實(shí)時(shí)性難題。定標(biāo)和場(chǎng)景融合方法既結(jié)合了定標(biāo)類算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)以及場(chǎng)景類算法自適應(yīng)跟蹤漂移特點(diǎn)，又能夠?qū)崿F(xiàn)紅外焦平面陣列在長(zhǎng)時(shí)間工作和復(fù)雜環(huán)境下的高精度實(shí)時(shí)非均勻性校正。仿真結(jié)果表明，定標(biāo)和場(chǎng)景融合校正算法具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性能，且校正效果良好。

［1]菜毅，胡旭.短波紅外成像技術(shù)及其軍事應(yīng)用［J］.紅外與激光工程學(xué)報(bào)，2006，35（6）：643-647.

［2]張輝，趙保軍，唐林波，等.基于自適應(yīng)多特征整合的紅外目標(biāo)跟蹤［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：1291-1296.

［3]熊輝，楊衛(wèi)平，沈振康.紅外焦平面陣列非均勻性校正算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1998（12）：40-43.

［4]胡曉梅.紅外焦平面探測(cè)器的非均勻性與校準(zhǔn)方法研究［J］.紅外與激光工程，1999，28（3）：9-12.

［5]Kumar A，Sarkar S，Agarwal R P.A novel algorithm and FPGA based adaptable Architecture for correcting sensor non-uniformities in infrared system［J］.Micro?processors and Microsystems，2007，31（6）：403-404.

［6]陳寶國(guó)，鄭志偉，黃士科.利用FPGA實(shí)現(xiàn)紅外焦平面器件的非均勻性校正［J］.紅外與激光工程，2000，29（4）：55-57.

［7]吳傳璽，代少升.基于DSP的紅外成像系統(tǒng)與盲元處理算法設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2011，35（3）：25-28.

Research and Simulation of Non Uniformity
Correction Method for Short Wave Infrared Camera

CUI Lei，LIU Zhi
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，two basic methods of nonuniformity correction of short wave infrared camera are introduced，including two-point correction method and multiple point correction method.At the same time，an improved algorithm is proposed，which is the correction algorithm of calibration and scene fusion.The response drift of the infrared focal plane array detector can be over?come.To overcome the correction error caused by the change of the external environment，high precision real time nonuniformity correction of short wave infrared camera in working time and changeable environment can be realized.And the standard need not to be reset，the method is simple，the effect is obvious.Nonuniformity real-time calibration experiment is adopted in infrared cam?era using infrared focal plane array with pixel number 320×256.And the three methods are simulated by MATLAB software，the experimental results showed that the desired objectives is achieved and the correction effect is good.

infrared focal plane array；detection unit；gain；offset

TN21

A

1672-9870（2017）02-0106-05

2016-12-19

崔磊（1991-），女，碩士研究生，E-mail：642619776@qq.com

劉智（1971-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：2311547@qq.com