一种校正红外成像系统快门非均匀性的方法

闫相宏，蒋 伟，袁 凯，吕 坚，周 云

（电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川省成都市，邮编610000）

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一种校正红外成像系统快门非均匀性的方法

闫相宏，蒋 伟，袁 凯，吕 坚，周 云

（电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川省成都市，邮编610000）

红外图像除了红外焦平面阵列本身的非均匀性之外，镜头、外壳、快门等都会造成红外图像的非均匀性。随着科技的不断进步，非制冷红外热成像系统的体积在不断减小，热成像系统的散热问题逐渐凸显。使用快门校正的热像仪在长时间工作后，快门受热造成图像的非均匀性无法消除。因此，在对热像仪进行非均匀性时，使用改进的方法重新计算非均匀性校正参数，可以有效的消除由于快门发热造成的非均匀性的影响，在长时间使用红外热成像系统时，可以提高红外图像质量。

非制冷红外热成像系统；散热；红外图像；非均匀性；校正；快门

1 引言

在军事、农业、工业、医疗、森林防火、监控等方面,红外成像系统都发挥着重要的作用[1]。红外成像系统,以其可靠性高、体积小、功耗低等优势在各国的科研当中占据着重要地位[2]。

红外成像系统由于红外焦平面阵列制造材料、掩膜误差、工艺条件等因素的影响，在受到均匀辐射的情况下，探测器输出幅度不同，造成红外图像呈现非均匀状态[3]。同时，红外成像系统也会引入其他非均匀性因素，比如镜头、系统本身发热、快门等。随着红外成像系统体积越来越小，结构越加紧凑，快门也在逐渐减小，由此引入的快门的非均匀性也是造成红外图像非均匀性的原因[4]。

目前红外成像系统除了需要进行传统的两点校正以外，在实际使用过程中，由于随着使用的时间以及环境温度的变化以及红外成像系统焦平面阵列本身的温度发生的变化，会产生温漂，因此需要进行频繁的快门修正以消除红外焦平面阵列的非均匀性的影响[5]。

此处假定了快门是均匀的，才可以消除红外焦平面阵列的非均匀性，然而实际情况却是快门也会随着红外系统温度的漂移而产生非均匀性，使得红外成像系统的非均匀性无法得到修正。

2 两点校正原理

两点校正算法是现在使用最为广泛和成熟的红外图像的校正算法，在两点校正算法当中，假定红外探测器的响应特性是线性的，且响应具有时间稳定性，受随机噪声的影响较小[6]。在这两个条件下，可以用公式（1）来表示探测器像元的信号输出值：

通过式（3）和（4），可以消除探测器的非均匀性[7]。

然而在热像仪的实际工作过程中，由于探测器制作工艺以及阵列响应随温度发生漂移，导致偏移校正量失效。因此，在两点校正方法的基础上，通过在探测器前方增加均匀的快门，工作过程中通过采集快门的响应值，重新计算新的偏移校正量，使得红外热像仪可以连续工作不影响红外图像质量[8]。

3 基于快门的两点校正的改进

随着技术的进步，红外热像仪的体积越来越小，相对应的热像仪的热设计也逐渐复杂和困难。在长时间使用红外热像仪的过程中，普通的两点校正方法并不能消除红外图像的非均匀性，红外图像在屏幕上的周围亮度会升高，造成红外图像质量下降。

在基于快门的两点校正的方法当中，假定了快门是表面温度均匀的。然而在结构紧凑的红外热像仪当中，长时间工作导致热像仪温度升高，造成了快门实际上并不是一个均匀受热的物体。基于此，为了消除快门带来的非均匀性，必须在校正后的像元响应当中刨除快门的影响，在此提出了改进偏移校正量的方法。新的函数关系如下：

从上述的计算公式可以看到，校正增益系数并没有发生变化，而偏移校正量的式子当中包含了快门的非均匀性，从而达到消除快门影响的目的。

4 实验结果

为了验证提出方法的正确性，使用NI公司的PCIe-6535数据采集卡对数据进行采集，在Matlab当中进行验证，实验过程中，将红外热像仪工作较长时间，通过FPGA程序控制快门处于长时间闭合状态。通过采集卡采集到的原始红外图像导入Matlab如图1所示。

使用热像仪分别采集高温黑体数据和低温黑体数据，当使用一般的两点校正时，经过校正的红外图像如图2。

可以看到红外图像的四周的响应偏高，特别是图像的左、右上角，细节极其模糊。使用改进的两点校正方法处理的红外图像如图3。

通过图2和图3的对比，可以看到快门的非均匀性被很好的消除了，图像细节得到显现。

图1 长时间工作后挡片的原始图像

图2 使用普通两点校正的红外图像

图3 使用改进的两点校正的红外图像

5 结束语

红外热像仪的非均匀性校正在红外图像处理中始终是重要的一环。两点校正由于其计算并不复杂，有利于对图像进行实时处理。但是在使用两点校正算法时，需要分析具体的应用环境对算法进行改进，使得红外图像的质量达到最佳。

[1]李升才,肖顺旺,徐宗昌.非制冷红外焦平面技术、应用及其发展 [C].//中国光学学会光电技术专业委员会成立二十周年暨全国光电技术与系统学术会议.北京:电子工业出版社,2005.Li Shengcai,Xiao Shunwang,Xu Zongchang.Uncooled Infrared Focal Plane Technology,Applications and Developments.[C].The Twenty Anniversary of the Establishment of Specialized Committee and the National Conference on Optoelectronic Technology and Systems.Beijing.Electronic Industry Press.2005.

[2]吴泽鹏.非制冷红外热成像系统关键技术研究[D].中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所),2013.Wu Zepeng.Research on the Key Techniques of Uncooled Infrared Thermal Imaging System[D].Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2013

[3]董珍时,刘小波.红外焦平面探测器非均匀性的简化数学模型[J].激光与红外,2003,(03):208-211.Dong Zhenshi,Liu Xiaobo.The Simplified Mathematical Model Research for Infrared Focal Plane Arrays Non-uniformity[J].Laser&Infrared,2003,(03):208-211.

[4]Tempelhahn A,Budzier H,Krause V,et al.Improving the Shutter-lessCompensation Method forTEC-lessMicrobolometer-based Infrared Cameras[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2015,9451:94511F-94511F-10.

[5]姚琴芬.红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现[D].南京:南京理工大学,2007.Yao Qinfen.The Research and Implementation of Real Time Non-uniformity Correction for Infrared Image[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2007.

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[7]李旭.基于两点的红外图像非均匀性校正算法应用[C].哈尔滨:第二届红外成像系统仿真测试与评价技术研讨会.2008.Li Xu.Application of a Non-uniformity Correction Algorithm for IRFPAs Based on Two Points[C].Harbin:The Second Symposium on Infrared Imaging System Simulation and Evaluation.2008

[8]江桥.小型化非制冷红外热成像组件的设计实现 [D].成都:电子科技大学,2013.Jiang Qiao.The Design and Implementation of Miniaturized Uncooled Infrared Thermal Imaging Components[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2013.

A Method for Correcting Non-Uniformity of Shutter in Infrared Imaging System

Yan Xianghong,Jiang Wei,Yuan Kai,Lv Jian,Zhou Yun
(State Key Lab.of Electronic Thin-film and Integrated Device,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

The lens,housing,shutter etc.will lead to the non-uniformity of infrared imaging in addition to the non-uniformity of the infrared focal plane array itself.With the improvement of science and technology,the volume of the uncooled infrared thermal imaging system is decreasing,and the heat dissipation problem of the system is becoming more and more obvious.The non-uniformity of imaging caused by the heated shutter can’t be eliminated after the infrared system working for a long time.Therefore,the use of improved method to recalculate the non-uniformity correction parameters can effectively eliminate the non-uniformity caused by the heated shutter in the process of non-uniformity correction of infrared imaging.The new method can improve the infrared image quality after the system working for a long time.

Uncooled infrared thermal imaging system;Heat dissipation;Infrared Image;Nonuniformity;Correction;Shutter

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.014

TN21

A

1002-2279-（2017）04-0057-03

闫相宏（1992—），男，山西省晋中市人，硕士，主研方向：电子与通信工程，微电子学与固体电子学。

2017-03-28