热释电IRFPA非均匀性校正实验系统研究

程 瑶，王玉菡，袁祥辉

（1.重庆理工大学 电子信息与自动化学院 重庆400050；2.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室 重庆400044）

引言

红外系统在理想情况下，红外焦平面阵列受均匀辐射，输出幅度应完全一样。但实际上，在制作器件的半导体材料不均匀、掩膜误差、缺陷、工艺条件等影响下，焦平面阵列上各探测单元对于同一辐照的光电响应不完全一致［1］，这就是红外焦平面阵列响应的非均匀性。

红外图像的非均匀性，是制约IRFPA发展和应用的重要因素，不但降低了成像灵敏度和系统稳定性，还降低了成像系统的机械复杂程度，极大地限制了成像系统的性能发挥，特别在低对比度的红外成像中，对成像质量的影响更为严重，使获取的图像信号模糊、畸变，提取不出图像信号特征，甚至使红外传感器失去其探测能力。因此，当红外探测器研制成功后，大多要完成基于辐射源的非均匀性参数测试以及校正过程［2］，产品在出厂前一般都会对其进行定标校正，获得IRFPA的增益和偏置校正矩阵［3］。非均匀性校正技术是研究红外探测器及其成像应用的关键课题之一。

1 非均匀性产生及定义

影响IRFPA传感器非均匀性的因素比较多，包括探测像元响应率或光谱响应率的非均匀性，其次是信号读出电路自身、读出电路与探测器的耦合因素的噪声，以及暗电流的非均匀性等［4］。由于探测器非均匀性产生的原因非常复杂，在探测器生产的过程中消除非均匀性是不现实的，只能通过非均匀性校正的方法才能有效降低其残余的非均匀性［3］。IRFPA探测器的噪声等于瞬态噪声和空间噪声的总和［5］。瞬态噪声是光子噪声、暗电流噪声以及读出电路噪声共同作用的结果。而空间噪声则是由IRFPA的非均匀性而造成的，也叫做固有的空间噪声。瞬态噪声的消除办法可以通过多次测量求平均，而固有空间噪声必须通过校正才可以消除［6］。红外成像的非均匀性问题极大地限制了IRFPA成像系统的应用，非均匀性的产生会导致红外成像系统温度分辨率的降低，从而使得目标图像的成像效果受到严重影响。

在国家标准GB／T 17444-1998《红外焦平面阵列特性参数测试技术规范》中对IRFPA非均匀性的定义进行了详细严格的规定，规范中指出非均匀性即是在均匀光照为1／2饱和曝光量的条件下，像元对应的各个输出信号的不均匀性。可以用各个像元输出的均方根偏差与各输出均值之比来表示［7］。

式中：Vavg为IRFPA探测器上所有有效像元的信号平均值；M和N 分别为IRFPA探测器光敏单元阵列的行数和列数；d为IRFPA探测器光敏单元阵列中的死像元的个数；h为过热像元的个数。

在测量非均匀性大小时，系统采用电注入方式模拟光照的输入。根据国标对非均匀性的定义，一般非均匀性大小的测量是在输出幅值为饱和信号幅值的1／2时所测得的。这一条件下测得的非均匀性大小往往作为评价和比较器件性能的标准参数。因此，在对IRFPA非均匀性参数进行测试时，通过调节注入电压值Vtest使得输出幅度为饱和电压幅度的1／2，此时即可将各个像元的输出采集到计算机中，扣除IRFPA的死像元及过热像元后，按照公式（1）和（2）即可分别求出电压平均值及NU值。各个像元输出幅度与所有像元输出幅度平均值的偏差，即可表征出读出电路的不均匀性，记为NU。

同时在无信号注入的情况下，对于热释电型IRFPA读出电路仍有输出且幅度较大，其输出值被称为基准电平。因此在进行非均匀性测试时，需要先将采集到的像元输出信号减去这个基准电平。系统在测试之前，调节电注入输入信号为0，此时采集的像元输出信号即是基准电平信号。对采集的多帧信号取平均值后即可作为基准电平。在测试不均匀性参数时，采集到的数据都要先减去这个基准电平，然后才能按照非均匀性的定义公式进行计算，通过统计分析即可得到测试结果。

为了便于快速测量计算出NU值，也可采用以下的定义方式。其定义为在均匀光照入射下，焦平面阵列像元中输出的最大值与最小值之差的2倍同它们之和的百分数比值。

式中：Vmax为焦平面上所有有效像元输出的最大值；Vmin为焦平面上所有有效像元输出的最小值。

2 非均匀性校正实验

2.1 校正算法

假定IRFPA像元的输出信号与红外目标的辐射通量呈线性关系，即

式中：φij为第（i，j）个像元的辐射通量；Vij为第（i，j）个像元的输出电压；Rij为第（i，j）个像元的增益因子；θij为第（i，j）个像元的偏移因子，其中i代表像元所处的行数，且i＝1，2，…，M。j代表像元所处的列数，且j＝1，2…，N。M 与N 分别为IRFPA的行数和列数。

采用两点定标法，假设每个像元的响应率呈线性关系，则校正方程应为

式中：V′ij（φij）为非均匀性校正以后的各个像元输出；Kij和Bij分别为各个像元对应的待校正增益因子和校正偏置因子，且与目标的辐射通量无关。

选取高低2个温度点T1和T2，得到2个辐照度φ1和φ2下各个像元的输出Vij（φ1）和Vij（φ2）。假设确定定标点V标准（φ1）、V标准（φ2），把Vij（φ1）、Vij（φ2）和V标准（φ1）、V标准（φ2）分别作为输入输出，带入（5）式中，即可得到校正的增益因子和校正的偏移因子，即

定标点V标准（φ1）和V标准（φ2）输出即是标准像元的输出，标准像元的选取可以有3种方法。

1）灵敏度最大法

所谓的灵敏度最大法即在高低温度点下像元的输出Vij（φ1）和Vij（φ2）中将灵敏度最大的输出作为标准像元输出，将其作为校正的定标点输出。分别取Vij（φ1）和Vij（φ2）数据中差值最大的2个数据作为非均匀性校正所需的定标数据。

2）对应灰度概率最大法

对应灰度概率最大法即在高低温度点下像元的输出Vij（φ1）和Vij（φ2）中选取灰度概率最大的输出作为标准像元输出，将其作为校正的定标点输出。即在定标数据中，某个灰度值出现的频率是最大的，分别统计Vij（φ1）和Vij（φ2）数据中出现概率最多的值作为非均匀校正所需的定标数据。

3）平均值法

平均值法即是利用高低温度点下像元的输出Vij（φ1）和Vij（φ2），分别取平均值，将其平均值作为定标点，即：

将（6）式和（7）式得到的校正参数带入（5）式，就可以得到各个像元校正后的输出。

2.2 非均匀性校正实验

2.2.1 系统构成

实验采用虚拟仪器技术，利用软件编程的方法设计非均匀性校正系统。该系统能对采集到计算机内模拟的图像数据按照3种方式选取标准像元，并进行非均匀性校正，最终输出校正前后的波形图并显示出图像。该系统构建PC-DAQ虚拟仪器系统，系统构成框图如图1所示。

图1 非均匀性校正系统框图Fig.1 Block diagram of nonuniformity correction

辐射源为热释电IRFPA探测器提供参考源。热释电IRFPA在驱动电路驱动下正常工作输出视频信号，NI公司的PCI-6115数据采集卡在驱动电路外部信号的控制下，对每一个像元输出的视频信号进行准确采样，并将采样结果通过PCI总线传入到PC计算机中。通过LabVIEW软件平台即可对采集卡进行控制，并对采集的结果进行处理与统计，以便非均匀性测试以及非均匀性校正。

2.2.2 系统程序设计

校正系统中，程序设计是关键。系统程序设计包括控制采集卡实现像元输出信号的采集，非均匀性校正算法的程序实现，以及对非均匀性的测试，校正前后结果的显示。程序设计流程如图2所示；前面板如图3所示。

本系统采用NI公司数据采集卡PCI-6115实现对IRFPA图像数据的采集。采集参数的设置包括IRFPA的像元行列数、采样的次数、采集通道的配置、采集信号耦合方式的设置、采样时钟源的设置、采集触发条件、触发边沿、触发响应的设置等。采集图像时按下“采集1”按钮实现对低温条件下像元输出的采集；按下“采集2”按钮实现对高温条件下像元输出的采集，采集好定标数据后即可实现非均匀性校正。通过标准像元选取控件，可以选择3种标准像元，并将计算的各个像元校正的K、B值保存在系统中。当按下“图像采集”按钮时，系统即可根据用户需要对采集的图像数据进行原始图像的显示、一点校正以及两点校正。校正前后的数据可以通过三维图进行显示对比，也可通过图像显示控件对校正前后的图像进行对比，系统还提供了校正前后的不均匀性参数的测试，利用公式（3）实现NU计算并显示NU值对比。

2.3 实验结果

通过运行该系统，对120×160热释电探测器读出电路采用电压注入方式，实现了对该探测器的非均匀性校正实验。从图3三维波形图上可以看出，校正后像元输出的均匀性变好，NU值变小，图像显示从不均匀的西瓜纹图像校正为均匀的同一色彩图像。表1是对120×160热释电探测器读出电路输出信号注入低压及高压待校正数据后，采用不同方法进行校正的NU值结果记录。

表1 不同标准像元选取校正前后NU值对比Table 1 Contrast of value of NU before and after correction using different normal pixels

3 结论

通过非均匀性校正系统设计，并对120×160热释电IRFPA进行了成功的校正实验。校正系统可以满足不同像元热释电IRFPA探测器的非均匀性校正，系统可以直观观察校正的效果，并定量测试出NU值大小，对探测器参数的评价及应用提供非常重要的参考依据。

通过校正实验可以看出，一点校正算法能对参考点附近的数据进行有效的非均匀性校正，当校正数据与参考点相差较大时，一点校正算法不能对图像进行有效的校正，而两点校正法能对高压和低压两组数据的非均匀性进行校正，且校正效果优良。两点校正算法选取的3种不同标准像元其校正效果不同，其中以平均值的像元为标准像元进行非均匀性校正时，其得到的非均匀性NU值是最小的，说明其非均匀性的校正效果是3种像元选取方式中最好的。

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