李 周，余 毅，何鋒赟，蔡立華

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所天基動態(tài)快速光學(xué)成像技術(shù)重點實驗室，吉林長春130033）

高性能的紅外成像系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，因其具有強抗干擾性、強識別能力、被動探測隱蔽性等特點，在軍事領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。對紅外成像系統(tǒng)來說，紅外焦平面陣列（IRFPA）是成像系統(tǒng)最為核心的元件，直接影響整個成像系統(tǒng)的性能，如作用距離、目標發(fā)現(xiàn)概率與成像像質(zhì)[1]。

紅外焦平面陣列受制于其技術(shù)水平和制造工藝，伴隨著摻雜粒子的濃度不均勻，其原始輸出圖像存在嚴重的非均勻性。紅外非均勻性導(dǎo)致圖像的對比度下降，目標與噪聲難以區(qū)分。紅外焦平面陣列其多元成像的特點不可避免地帶來非均勻性的問題。為解決紅外焦平面成像系統(tǒng)的非均勻性，W.S.Ewing 最早提出單點校正算法，該算法可以將陣列對某一特定輻射偏置進行校正，得到偏置的一致響應(yīng)[2]。在單點校正的基礎(chǔ)上，后續(xù)發(fā)展出兩點校正，主要改善單點校正不能同時校正增益和偏置的影響。針對探測器響應(yīng)的非線性問題，A.F.Milton 提出多點校正算法[3]。基于定標的非均勻性校正（NUC）相對簡單，精度高，工程應(yīng)用廣泛。但是，校正系數(shù)需要進行周期性的更新，增加設(shè)備的復(fù)雜度[4]。

為避免定標非校正算法的參數(shù)更新問題，學(xué)者們提出基于場景的非均勻性校正算法[5]。該方法主要利用探測元對輻射量響應(yīng)的線性模型，首先假定入射到各陣列元的輻射通量均值和方差相同，然后對場景內(nèi)紅外圖像進行空間信息的統(tǒng)計，通過統(tǒng)計量連續(xù)地對增益系數(shù)和偏移量進行校正。但基于場景的非均勻性校正算法大多需要多次迭代，計算量大，不利于實時性操作[6-7]。

充分考慮基于定標非均勻性校正實時性差，以及基于場景的非均勻性校正計算繁瑣的特點，提出一種實時的非均勻性校正算法。該算法有效地考慮系統(tǒng)積分時間變化。首先介紹了基于定標的非均勻性校正原理，然后基于600 mm 口徑的中波紅外系統(tǒng)對校正效果進行驗證。場景校正效果如圖1 所示。

1 紅外輻射定標基本原理

對高性能的紅外光電系統(tǒng)來說，其探測器一般選用制冷型紅外焦平面陣列，制冷型紅外系統(tǒng)對入射的輻射通量具有良好的線性響應(yīng)度。擴展源輻射定標原理如圖2 所示。

當積分時間設(shè)定后，黑體輻射亮度與輸出灰度之間的關(guān)系稱為定標模型或定標方程，系統(tǒng)輸出灰度值可由定標方程表示為：

式中，Gi,j為像元(i,j)的輸出灰度值；Ri,j為像元(i,j)對單位紅外輻射亮度的響應(yīng)率，(m2·sr)/W；L(Tbb)為定標輻射源的輻射亮度，W/(m2·sr)；Bi,j為紅外系統(tǒng)和探測器電路等引起的偏置[8-9]。

對于高精度的紅外輻射特性測量系統(tǒng)，在探測器響應(yīng)線性范圍內(nèi)，探測器像元的輸出灰度值為積分時間的線性函數(shù)。所以，定標公式中的偏置項Bi,j也應(yīng)該是積分時間t的線性函數(shù)。

式中，tBout,i,j為系統(tǒng)雜散輻射等因素引起的偏置；Bin,i,j為暗電流等探測器自身因素引起的系統(tǒng)輸出。

為實現(xiàn)寬動態(tài)范圍輻射亮度測量，靶場紅外輻射特性測量系統(tǒng)通常預(yù)設(shè)多個積分時間檔位。考慮紅外探測器的積分時間，定標方程可改寫為：

式中，t為積分時間，μs。此時，R′i,j為單位積分時間所對應(yīng)的輻射亮度響應(yīng)率。

2 基于定標的非均勻性校正算法

2.1 基于黑體的兩點校正的基本原理

黑體定標法是定標校正法的一種，是指對給定積分時間下不同黑體定標源圖像進行采集，將一個或多個圖像用于非均勻性校正，在進行非均勻性校正時要求對采集的幾十幀(通常為20 幀)圖像進行均勻化處理，來降低由時間引起的隨機噪聲。

設(shè)積分時間為t0，黑體溫度范圍為低溫Tl至高溫Th。根據(jù)定標公式可得：

假設(shè)紅外探測器像元數(shù)為M×N，那么溫度T的黑體定標圖像平均灰度值為黑體非均勻性校正方法的基本原理為利用a、b和c表示進行非均勻性校正時三個探測元的響應(yīng)曲線，進行兩點校正后得到的結(jié)果為a′、b′和c′，三者曲線重合，即三個探測元的響應(yīng)被校正均勻，獲得了相同的響應(yīng)[10-11]。兩點校正基本原理如圖3 所示。得到校正系數(shù)分別為：

式中，Th為輻射標定源采用的高點溫度，℃；Tl為輻射定標源采用的低點溫度，℃；為在t0時間的非均勻性校正增益；為在t0時間的非均勻性校正偏置。

非均勻度是非均勻性校正結(jié)果的一個評鑒標準[12]?，F(xiàn)階段對紅外熱成像系統(tǒng)的非均勻度的定義業(yè)內(nèi)還沒有一個統(tǒng)一的標準。傳統(tǒng)意義上，普遍采用GB/T 17444—1988《關(guān)于紅外焦平面陣列特性參數(shù)測試技術(shù)規(guī)范》，其中對紅外圖像的非均勻度（Non-Uniformity, NU）做如下定義[13]：

2.2 基于定標變積分時間的非均勻校正算法

非均勻性校正目的就是使紅外焦平面探測器陣列所有像元的輻射響應(yīng)率一致。而紅外成像系統(tǒng)為了保證測量的有效性，常常預(yù)設(shè)多檔積分時間，因此常常針對每檔積分時間進行逐一非均勻性校正。為保證校正系數(shù)的有效性，需要選擇多個溫度的輻射源，來提高定標非均勻性校正的實效性。

假設(shè)在積分時間t下，其校正前定標方程可以表示為[14-16]：

假設(shè)在積分時間t下的非均勻性校正系數(shù)為和，則校正后的像元灰度可以表示為：

其校正的后的結(jié)果應(yīng)該滿足：

式中，th和tl分別為非均勻性校正所采用的長積分時間和短積分時間，分別為在長積分時間和短積分時間的非均勻性校正系數(shù)。

首先，黑體定標法采集三幅包括兩個溫度點和兩個積分時間的數(shù)字圖像，以便獲取在線性區(qū)間內(nèi)的全部非均勻性校正系數(shù)，降低對定標源的要求，進而降低系統(tǒng)外場非均勻性校正的設(shè)備需求。其次，避免了在所有積分時間下進行逐一非均勻性校正，系統(tǒng)所需的非均勻性校正時間大幅縮短。

3 實驗部分

為了檢驗本文的非均勻性校正方法，對某靶場紅外成像及輻射特性測量系統(tǒng)進行非均勻性校正實驗。定標實驗裝置如圖4 所示。

該系統(tǒng)口徑600 mm，焦距1 200 mm。紅外探測器為凝視型焦平面陣列，其工作波段為中波紅外3.7～4.8 μm，探測器像元數(shù)量為 640× 512，像元大小為15 μm×15 μm，相機的光圈數(shù)為2，動態(tài)范圍為14 位。高精度面元黑體，黑體的溫度范圍為5～150 ℃，直接覆蓋紅外成像系統(tǒng)進行非均勻性校正。

首先對考慮積分時間的輻射定標模型進行驗證，該模型是本文非均勻性校正方法的基礎(chǔ)，設(shè)計的定標實驗過程為2.5、3.0 ms 和3.5 ms 積分時間下將黑體溫度從20 ℃以10 ℃為間隔上升到100 ℃進行紅外成像系統(tǒng)的輻射定標。定標結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，該紅外成像系統(tǒng)具有很好的線性響應(yīng)特性。

采用基于黑體定標法和本文提出方法分別對紅外成像系統(tǒng)的非均勻性校正，選取兩個積分時間檔位為2.5 ms 和3.0 ms，用于校正的輻射源溫度為50 ℃和70 ℃，得到本文算法進行非均勻性校正系數(shù)和3.0 ms 計算下的基于黑體的非均勻性校正系數(shù)，分別對2.5 ms 和3.0 ms 的圖像進行校正。計算在兩個積分時間下的非均勻度。結(jié)果顯示本文方法平均非均勻度為0.22%，且其校正效果受場景溫度和積分時間變化的影響并不嚴重，不同方法非均勻性校正結(jié)果如表1 所示。

表1 不同方法非均勻性校正結(jié)果

4 結(jié) 論

提出的新型非均勻性校正方法是一種基于定標的方法，比基于場景的非均勻性校正方法的校正精度和定量精度高，適用于高精度的輻射特性測量系統(tǒng)和其他一些定量、準定量的紅外成像系統(tǒng)。該方法是黑體定標法和積分時間法的結(jié)合。相比于黑體定標法，可以方便地實現(xiàn)多個積分時間下的非均勻性校正，大大縮短非均勻性校正所需時間，提高設(shè)備外場試驗的適應(yīng)性和系統(tǒng)的實時性。相比于積分時間法，所提方法克服了場景溫度變化對校正效果的影響，即可以應(yīng)用于寬動態(tài)范圍紅外成像系統(tǒng)的非均勻性校正，具有更好的實用性。