李繼泉，時(shí)勤功，陳 靜，謝國兵，譚祖安，蔡燕平

（1.湖南華南光電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，湖南 常德415000；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安710065）

1 引 言

紅外焦平面陣列成像技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國家已達(dá)到相當(dāng)高的水平。在國內(nèi)，紅外成像相關(guān)的應(yīng)用也已經(jīng)趨于成熟，在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。但非均勻性校正作為紅外焦平面成像的關(guān)鍵技術(shù)之一，仍然不能達(dá)到令人滿意的效果[1]。非均勻性難以解決的問題，極大限制了成像系統(tǒng)的成像效果，特別在低對比度的紅外成像中，對成像質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，使獲取的圖像信號模糊，無法很好凸顯信號特征，對細(xì)節(jié)的清晰度和圖像整體觀感影響極大[2]。因此，針對非均勻性的多種來源，提出一種切實(shí)可行且行之有效的新型非均勻性校正方法有著重大的實(shí)際意義。

2 傳統(tǒng)非均勻性校正方法

非均勻性指的是紅外焦平面陣列在接收相同輻射量時(shí)，各個(gè)單元的輸出不一致，在圖像上會表現(xiàn)為相對固定的空間噪聲[3]。假設(shè)焦平面陣列每個(gè)陣列元的響應(yīng)為線性模型，則理想焦平面陣列的輸出跟接收輻射量的關(guān)系可以表示為：

其中X 為焦平面陣列接收輻射量矩陣，Y 為理想焦平面陣列輸出矩陣，A 為增益校正系數(shù)矩陣，B為偏移校正系數(shù)矩陣[4]。A 與探測器本身有關(guān)，相對穩(wěn)定。B 可以看作是時(shí)間t 的一個(gè)函數(shù)B(t)。

傳統(tǒng)的非均勻性校正方法中效果比較好的通常是利用兩點(diǎn)定標(biāo)計(jì)算出增益系數(shù)A，在通過即時(shí)擋板數(shù)據(jù)對偏移系數(shù)B 進(jìn)行補(bǔ)償[5]，具體做法為：

首先，在短時(shí)間內(nèi)采集高溫黑體原始數(shù)據(jù)XH和低溫黑體原始數(shù)據(jù)XL。高溫黑體和低溫黑體的理想輸出應(yīng)為YH和YL，則：

根據(jù)(2)式和(3)式可以求得：

然后，將采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)記為XIN，最近一次擋板打下時(shí)的數(shù)據(jù)記為XD，理想的目標(biāo)輸出數(shù)據(jù)應(yīng)為YOUT，擋板時(shí)的理想輸出為YD，則：

根據(jù)(5)式和(6)式可以求得：

此種校正方式可以很好地解決B 在時(shí)域上不均勻的問題，但并沒有考慮系統(tǒng)中的增益系數(shù)A 由于非理想因素導(dǎo)致的不均勻，也就是同一個(gè)A 是否同時(shí)適用于XIN和XD[6]。因此，往往在擋片打開之后圖像會呈現(xiàn)一層蒙紗感。針對蒙紗感現(xiàn)象，在此根據(jù)非均勻性校正系統(tǒng)[7]，對其中的誤差因素進(jìn)行分析。校正系統(tǒng)如圖1。

圖1 校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)機(jī)芯和探測器的溫度不變。對于探測器焦平面來說，其輻射源包含幾個(gè)方面：目標(biāo)黑體、鏡頭壁、擋板、擋板內(nèi)外殼、擋板外外殼和探測器管殼[8]。分析如下：

1）在擋板打下期間：輻射源包含了擋片、擋片內(nèi)外殼和探測器管殼。XD的值包含了上述三個(gè)方面的輻射。

2）在擋板打開期間：輻射源包含了目標(biāo)黑體、鏡頭壁、擋板內(nèi)外殼、擋板外外殼和探測器管殼。XIN的值包含了上述五個(gè)方面的輻射。

3）XIN和XD包含了：目標(biāo)黑體、鏡頭壁、擋片外外殼和擋片。其中，鏡頭壁和擋片外外殼都屬于非理想效應(yīng)的來源[9]。

綜上，可見式(7)的應(yīng)用有一個(gè)假設(shè)前提，就是計(jì)算出來的校正系數(shù)A 和B 對目標(biāo)矩陣和擋片矩陣都是適用的。但是從對上述三點(diǎn)的分析來看，目標(biāo)矩陣包括擋片矩陣鏡頭壁和擋片外外殼，另外就鏡頭的F 數(shù)一般等于1 來說，不帶鏡頭的情況下，F(xiàn) 數(shù)會小很多[10]。所以嚴(yán)格意義上來講，通過帶鏡頭采集的校正系數(shù)A 和B 并不適合擋片矩陣，而適合目標(biāo)矩陣。可以得出A 并不能同時(shí)適用于XIN和XD，這也是產(chǎn)生蒙紗感的原因。所以這種傳統(tǒng)的非均勻性校正方法雖然有一定效果，但并不能完全解決非均勻性的問題[11]。

3 新型非均勻性校正方法

由于從嚴(yán)格意義上來講目標(biāo)矩陣和擋片矩陣的A 和B 無法共用，這就需要針對目標(biāo)矩陣和擋片矩陣分別計(jì)算A 和B?；谶M(jìn)入探測器的輻射源，在此提出一種利用有無鏡頭情況下分別計(jì)算A 和B的新方法，具體做法為：對目標(biāo)矩陣采用帶鏡頭的方式采集高低溫黑體數(shù)據(jù)，計(jì)算出A1和B1。對擋板矩陣采用不帶鏡頭只帶擋板的方式采集高低溫?cái)?shù)據(jù)。計(jì)算出A2和B2。

首先帶鏡頭采集高低溫黑體目標(biāo)的時(shí)候把輸入信號XH/XL分成兩部分XHM/XLM和X1。其中XHM是帶鏡頭情況下僅高溫目標(biāo)黑體的輻射輸入，XLM是帶鏡頭情況下僅低溫目標(biāo)黑體的輻射輸入，X1是機(jī)芯溫度穩(wěn)定情況下包含了鏡頭壁、擋片內(nèi)外殼、擋片外外殼和探測器管殼的輻射輸入。公式如下：

其中，YHM/YLM是目標(biāo)黑體校正后的陣列，L 是X1校正后的陣列；(YHM+L)和(YLM+L)為整體校正后的陣列，皆為均勻陣列，即陣列中所有數(shù)字一致[12]。

根據(jù)式(8)和式(9)可以得出校正數(shù)據(jù)矩陣A1和B1，公式如下：

正常目標(biāo)輻射進(jìn)入機(jī)芯后，其用A1、B1校正后的公式如下：

其中YM是目標(biāo)校正后的輸出陣列。

同理，不帶鏡頭采集高低溫目標(biāo)的時(shí)候把輸入信號XH/XL分成兩部分XHW/XLW和X2，其中XHW是不帶鏡頭情況下僅高溫目標(biāo)黑體的輻射輸入，XLW是不帶鏡頭情況下僅低溫目標(biāo)黑體的輻射輸入，X2是包含了擋片內(nèi)外殼和探測器管殼的輸出。公式為：

其中YHW/YLW是不帶鏡頭目標(biāo)黑體校正后的陣列，L1是X2校正后的陣列，(YHW+L1)和(YLW+L1)為整體校正后的陣列，這兩個(gè)陣列皆為均勻陣列，即陣列中所有數(shù)字一致。

根據(jù)式(13)和式(14)可以得出校正數(shù)據(jù)矩陣A2和B2，公式為：

擋板信號進(jìn)入機(jī)芯后，其用A2、B2校正后的公式如下：

其中D 是擋板的輻射輸入，YD是擋板D 校正后的輸出陣列。

通過式(12)和式(17)相減可以得到：

結(jié)合式(11)、(16)和(18)可得：

其中(YHM+L-YHW-L1)、(A1XHM-A2XHW)是兩個(gè)均勻陣列，可以忽略不計(jì)[13]。

可以看出校正后的輸出陣列Y 僅和A1、A2、XM、D、XHM、XHW相關(guān)，這幾個(gè)參數(shù)可以通過帶和不帶鏡頭采集高低溫?cái)?shù)據(jù)直接得到或者計(jì)算得到，與非理想效應(yīng)中的鏡頭壁、擋片內(nèi)外殼、擋片外外殼和探測器管殼的輸出均無關(guān)。從而可知，Y 也是一個(gè)均勻矩陣，可用以減少蒙紗感。

上述方案可以通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 效果對比

為驗(yàn)證新型方法而設(shè)計(jì)的機(jī)芯實(shí)物圖如圖2。

圖2 紅外探測機(jī)芯實(shí)物圖

數(shù)據(jù)采集在機(jī)芯上電1 小時(shí)后進(jìn)行，通過機(jī)芯的溫度傳感器可以得知此時(shí)機(jī)芯溫度已經(jīng)基本穩(wěn)定。根據(jù)所提新型方案，對有無鏡頭條件下分別采集高溫黑體（60℃）和低溫黑體（10℃）數(shù)據(jù)，按傳統(tǒng)校正方法和所提新校正方法分別進(jìn)行校正成像，成像效果對比如圖3、圖4。

圖3 均勻目標(biāo)成像效果對比

圖4 正常目標(biāo)成像效果對比

可見，無論是在均勻目標(biāo)還是正常目標(biāo)的條件下，新的校正方法都可以有效減弱圖像的蒙砂感（在均勻目標(biāo)下效果尤為明顯），大大提高成像質(zhì)量。

5 結(jié) 束 語

在分析了傳統(tǒng)紅外非均勻性校正方法的原理和不足的基礎(chǔ)上，提出了一種針對校正系統(tǒng)中非理想因素的新型校正方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能有效去除一部分傳統(tǒng)校正方法無法去除的非均勻性，有效減弱圖像蒙紗感，提高成像質(zhì)量。因其操作方法簡單易行，此新型校正方法對紅外成像領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值。