红外图像两点非均匀性校正算法工程实现

何火胜

摘 要：红外焦平面探测器（IRFPA）是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件，但是，由于其像元红外响应度不一致，存在非均匀性，大大降低了成像质量，所以，在实际工程应用中，需采用响应的非均匀性校正技术。介绍了IRFPA非均匀性的产生机理和两点非均匀性校正算法原理，红外探测成像系统采用640×480焦平面探测器，选择FPGA硬件平台进行两点非均匀性校正工程实现，明显改善了图像效果。

关键词：红外焦平面；两点法；非均匀性校正；工程实现

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0004-02

红外焦平面探测器是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件。由于受制造探测器半导体的质量和工艺水平的影响，使得器件内各探测单元即使在相同的辐射能量照射下也会输出不同的响应电压，并且探测器各像元的响应特性随着工作环境温度的变化而变化，导致红外图像质量下降，影响实际使用。为了使图像能有好的成像效果，在工程使用中，要对红外图像的非均匀性进行校正。目前，国内外红外图像非均匀校正出现多种算法，归纳起来大致分为两大类，即基于场景的算法和基于定标的算法。基于场景的算法在克服IRFPA响应偏移误差方面存在优势，是目前研究的主要方向，但在实际工程中应用的不多。由于基于定标的算法简单、精度高，所以被广泛应用。文中对基于定标的二点非均匀性算法进行了研究，并对其进行工程实现，取得了良好的图像效果。

1 红外成像系统的非均匀性

一幅红外图像的形成要经过物体热辐射、大气传输、光学系统、探测器的转换和信号传输等过程。红外焦平面阵列非均匀性的产生是所有过程共同作用的结果，主要有红外探测器、读出电路、半导体特性、放大电路和外部环境等。探测器自身的非均匀性在整个系统的非均匀性中占很大的比例，它的产生受到制造探测器的半导体质量和加工工艺过程的影响。红外光学系统中的镜头加工精度，镜头的孔径、焦距、透射率等都对成像效果产生了一定的影响。当探测器的驱动信号或读出电路的驱动信号有所变化时，焦平面阵列的非均匀性也将受到影响；当红外辐射在大气中传播时，受到云雾、烟尘等颗粒对红外辐射的散射和大气的吸收、折射等各种不确定因素的影响，也会导致最终的图像产生非均匀。红外焦平面阵列器件所处环境温度的非均匀性也会影响它的辐射响应非均匀性。假设探测器的像元响应曲线符合线性，如图 1（a）所示，如果探测器的像元响应曲线符合非线性，则如图1（b）所示。图1中，曲线1，2，3分别为探测器的3个不同探测像元响应特性曲线，φ表示红外辐射强度，G表示像元介绍到的能量灰度。

2 两点非均匀性校正算法原理

两点非均匀性校正法是目前应用最广泛的算法之一。从红外成像非均匀性产生的机理来分析，假设探测器的响应在一定温度范围内的变化是线性的，其受随机噪声的影响很小，同时具有时间稳定性，则焦平面探测器受到外界均匀辐射背景的响应表为：

在实际工程应用中，将两点非均匀性校正的参数Gi，j，Oi，j代入式（1）中进行非均匀性校正。

3 两点非均匀性校正算法的实现

3.1 红外硬件系统设计

本文红外系统采用640×480焦平面探测器，硬件平台采用FPGA为图像处理单元。非均匀校正系统主要由五部分组成，即红外探测器、FPGA、模数转换、外部存储器、终端显示。FPGA中含有大量的加乘法单元，正好满足非均匀校正需要大量加（减）法器和乘法器的要求。整个红外非均匀校正硬件实现的过程如下：红外目标辐射经过红外成像系统，其能量被红外探测器接收，相关信息被采集后进行输出和加强，再送至A/D转换器件完成模数转换，然后输入含有二点非均匀性校正程序的FPGA中进行校正运算，之后输出经过红外增强后的图像数据。这些数据经过 D/A转换器件完成数模转换，模拟信号再经过放大器后输入到终端显示设备中，经过二点非均匀校正过的红外目标图像最终显示在显示器上。红外焦平面成像和校正系统如

3.2 校正效果

用调好的系统先后对准80 ℃面阵黑体和30 ℃面阵黑体，分别采集高温和低温红外图像数据，计算出非均匀性校正系数，再存入FPGA中参与红外图像实时校正运算，试验结果如图3所示。图3（a）是校正前系统前方均匀物体的红外图像，图3（b）是校正后系统前方均匀物体的红外图像。从校正前的图像中可以看出，中央部分与边缘部分图像明暗差异比较大，红外成像系统的非均匀性导致成像存在非均匀性。通过两点非均匀性校正后，红外图像非均匀性得到了改善。

4 总结

640×480焦平面阵列探测器选择80 ℃和30 ℃面阵黑体作为二点定标基准温度，并在标定实验室常温环境下进行二点非均匀校正试验。结果显示，红外图像非均匀性有明显改善，校正效果良好，能够满足实际工程应用的需要。

参考文献

[1]李旭，杨虎.基于两点的红外图像非均匀性校正算法应用[J].红外与激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陈钱.环境温度补偿的红外焦平面阵列非均匀性校正[J].红外与激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勋，王利平，刘滨.红外图像非均匀性产生原因分析[J].红外与激光工程，1997，26（3）.

〔编辑：白洁〕

摘 要：红外焦平面探测器（IRFPA）是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件，但是，由于其像元红外响应度不一致，存在非均匀性，大大降低了成像质量，所以，在实际工程应用中，需采用响应的非均匀性校正技术。介绍了IRFPA非均匀性的产生机理和两点非均匀性校正算法原理，红外探测成像系统采用640×480焦平面探测器，选择FPGA硬件平台进行两点非均匀性校正工程实现，明显改善了图像效果。

关键词：红外焦平面；两点法；非均匀性校正；工程实现

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0004-02

红外焦平面探测器是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件。由于受制造探测器半导体的质量和工艺水平的影响，使得器件内各探测单元即使在相同的辐射能量照射下也会输出不同的响应电压，并且探测器各像元的响应特性随着工作环境温度的变化而变化，导致红外图像质量下降，影响实际使用。为了使图像能有好的成像效果，在工程使用中，要对红外图像的非均匀性进行校正。目前，国内外红外图像非均匀校正出现多种算法，归纳起来大致分为两大类，即基于场景的算法和基于定标的算法。基于场景的算法在克服IRFPA响应偏移误差方面存在优势，是目前研究的主要方向，但在实际工程中应用的不多。由于基于定标的算法简单、精度高，所以被广泛应用。文中对基于定标的二点非均匀性算法进行了研究，并对其进行工程实现，取得了良好的图像效果。

1 红外成像系统的非均匀性

一幅红外图像的形成要经过物体热辐射、大气传输、光学系统、探测器的转换和信号传输等过程。红外焦平面阵列非均匀性的产生是所有过程共同作用的结果，主要有红外探测器、读出电路、半导体特性、放大电路和外部环境等。探测器自身的非均匀性在整个系统的非均匀性中占很大的比例，它的产生受到制造探测器的半导体质量和加工工艺过程的影响。红外光学系统中的镜头加工精度，镜头的孔径、焦距、透射率等都对成像效果产生了一定的影响。当探测器的驱动信号或读出电路的驱动信号有所变化时，焦平面阵列的非均匀性也将受到影响；当红外辐射在大气中传播时，受到云雾、烟尘等颗粒对红外辐射的散射和大气的吸收、折射等各种不确定因素的影响，也会导致最终的图像产生非均匀。红外焦平面阵列器件所处环境温度的非均匀性也会影响它的辐射响应非均匀性。假设探测器的像元响应曲线符合线性，如图 1（a）所示，如果探测器的像元响应曲线符合非线性，则如图1（b）所示。图1中，曲线1，2，3分别为探测器的3个不同探测像元响应特性曲线，φ表示红外辐射强度，G表示像元介绍到的能量灰度。

2 两点非均匀性校正算法原理

两点非均匀性校正法是目前应用最广泛的算法之一。从红外成像非均匀性产生的机理来分析，假设探测器的响应在一定温度范围内的变化是线性的，其受随机噪声的影响很小，同时具有时间稳定性，则焦平面探测器受到外界均匀辐射背景的响应表为：

在实际工程应用中，将两点非均匀性校正的参数Gi，j，Oi，j代入式（1）中进行非均匀性校正。

3 两点非均匀性校正算法的实现

3.1 红外硬件系统设计

本文红外系统采用640×480焦平面探测器，硬件平台采用FPGA为图像处理单元。非均匀校正系统主要由五部分组成，即红外探测器、FPGA、模数转换、外部存储器、终端显示。FPGA中含有大量的加乘法单元，正好满足非均匀校正需要大量加（减）法器和乘法器的要求。整个红外非均匀校正硬件实现的过程如下：红外目标辐射经过红外成像系统，其能量被红外探测器接收，相关信息被采集后进行输出和加强，再送至A/D转换器件完成模数转换，然后输入含有二点非均匀性校正程序的FPGA中进行校正运算，之后输出经过红外增强后的图像数据。这些数据经过 D/A转换器件完成数模转换，模拟信号再经过放大器后输入到终端显示设备中，经过二点非均匀校正过的红外目标图像最终显示在显示器上。红外焦平面成像和校正系统如

3.2 校正效果

用调好的系统先后对准80 ℃面阵黑体和30 ℃面阵黑体，分别采集高温和低温红外图像数据，计算出非均匀性校正系数，再存入FPGA中参与红外图像实时校正运算，试验结果如图3所示。图3（a）是校正前系统前方均匀物体的红外图像，图3（b）是校正后系统前方均匀物体的红外图像。从校正前的图像中可以看出，中央部分与边缘部分图像明暗差异比较大，红外成像系统的非均匀性导致成像存在非均匀性。通过两点非均匀性校正后，红外图像非均匀性得到了改善。

4 总结

640×480焦平面阵列探测器选择80 ℃和30 ℃面阵黑体作为二点定标基准温度，并在标定实验室常温环境下进行二点非均匀校正试验。结果显示，红外图像非均匀性有明显改善，校正效果良好，能够满足实际工程应用的需要。

参考文献

[1]李旭，杨虎.基于两点的红外图像非均匀性校正算法应用[J].红外与激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陈钱.环境温度补偿的红外焦平面阵列非均匀性校正[J].红外与激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勋，王利平，刘滨.红外图像非均匀性产生原因分析[J].红外与激光工程，1997，26（3）.

〔编辑：白洁〕

摘 要：红外焦平面探测器（IRFPA）是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件，但是，由于其像元红外响应度不一致，存在非均匀性，大大降低了成像质量，所以，在实际工程应用中，需采用响应的非均匀性校正技术。介绍了IRFPA非均匀性的产生机理和两点非均匀性校正算法原理，红外探测成像系统采用640×480焦平面探测器，选择FPGA硬件平台进行两点非均匀性校正工程实现，明显改善了图像效果。

关键词：红外焦平面；两点法；非均匀性校正；工程实现

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0004-02

红外焦平面探测器是常用的兼具辐射敏感和信号处理功能的先进红外成像系统探测器件。由于受制造探测器半导体的质量和工艺水平的影响，使得器件内各探测单元即使在相同的辐射能量照射下也会输出不同的响应电压，并且探测器各像元的响应特性随着工作环境温度的变化而变化，导致红外图像质量下降，影响实际使用。为了使图像能有好的成像效果，在工程使用中，要对红外图像的非均匀性进行校正。目前，国内外红外图像非均匀校正出现多种算法，归纳起来大致分为两大类，即基于场景的算法和基于定标的算法。基于场景的算法在克服IRFPA响应偏移误差方面存在优势，是目前研究的主要方向，但在实际工程中应用的不多。由于基于定标的算法简单、精度高，所以被广泛应用。文中对基于定标的二点非均匀性算法进行了研究，并对其进行工程实现，取得了良好的图像效果。

1 红外成像系统的非均匀性

一幅红外图像的形成要经过物体热辐射、大气传输、光学系统、探测器的转换和信号传输等过程。红外焦平面阵列非均匀性的产生是所有过程共同作用的结果，主要有红外探测器、读出电路、半导体特性、放大电路和外部环境等。探测器自身的非均匀性在整个系统的非均匀性中占很大的比例，它的产生受到制造探测器的半导体质量和加工工艺过程的影响。红外光学系统中的镜头加工精度，镜头的孔径、焦距、透射率等都对成像效果产生了一定的影响。当探测器的驱动信号或读出电路的驱动信号有所变化时，焦平面阵列的非均匀性也将受到影响；当红外辐射在大气中传播时，受到云雾、烟尘等颗粒对红外辐射的散射和大气的吸收、折射等各种不确定因素的影响，也会导致最终的图像产生非均匀。红外焦平面阵列器件所处环境温度的非均匀性也会影响它的辐射响应非均匀性。假设探测器的像元响应曲线符合线性，如图 1（a）所示，如果探测器的像元响应曲线符合非线性，则如图1（b）所示。图1中，曲线1，2，3分别为探测器的3个不同探测像元响应特性曲线，φ表示红外辐射强度，G表示像元介绍到的能量灰度。

2 两点非均匀性校正算法原理

两点非均匀性校正法是目前应用最广泛的算法之一。从红外成像非均匀性产生的机理来分析，假设探测器的响应在一定温度范围内的变化是线性的，其受随机噪声的影响很小，同时具有时间稳定性，则焦平面探测器受到外界均匀辐射背景的响应表为：

在实际工程应用中，将两点非均匀性校正的参数Gi，j，Oi，j代入式（1）中进行非均匀性校正。

3 两点非均匀性校正算法的实现

3.1 红外硬件系统设计

本文红外系统采用640×480焦平面探测器，硬件平台采用FPGA为图像处理单元。非均匀校正系统主要由五部分组成，即红外探测器、FPGA、模数转换、外部存储器、终端显示。FPGA中含有大量的加乘法单元，正好满足非均匀校正需要大量加（减）法器和乘法器的要求。整个红外非均匀校正硬件实现的过程如下：红外目标辐射经过红外成像系统，其能量被红外探测器接收，相关信息被采集后进行输出和加强，再送至A/D转换器件完成模数转换，然后输入含有二点非均匀性校正程序的FPGA中进行校正运算，之后输出经过红外增强后的图像数据。这些数据经过 D/A转换器件完成数模转换，模拟信号再经过放大器后输入到终端显示设备中，经过二点非均匀校正过的红外目标图像最终显示在显示器上。红外焦平面成像和校正系统如

3.2 校正效果

用调好的系统先后对准80 ℃面阵黑体和30 ℃面阵黑体，分别采集高温和低温红外图像数据，计算出非均匀性校正系数，再存入FPGA中参与红外图像实时校正运算，试验结果如图3所示。图3（a）是校正前系统前方均匀物体的红外图像，图3（b）是校正后系统前方均匀物体的红外图像。从校正前的图像中可以看出，中央部分与边缘部分图像明暗差异比较大，红外成像系统的非均匀性导致成像存在非均匀性。通过两点非均匀性校正后，红外图像非均匀性得到了改善。

4 总结

640×480焦平面阵列探测器选择80 ℃和30 ℃面阵黑体作为二点定标基准温度，并在标定实验室常温环境下进行二点非均匀校正试验。结果显示，红外图像非均匀性有明显改善，校正效果良好，能够满足实际工程应用的需要。

参考文献

[1]李旭，杨虎.基于两点的红外图像非均匀性校正算法应用[J].红外与激光工程，2008（37）.

[2]屈惠明，陈钱.环境温度补偿的红外焦平面阵列非均匀性校正[J].红外与激光工程，2011，40（12）.

[3]周建勋，王利平，刘滨.红外图像非均匀性产生原因分析[J].红外与激光工程，1997，26（3）.

〔编辑：白洁〕