一种新型的非制冷红外机芯组件图像校正算法研究

李继泉，时勤功，陈 静，谢国兵，谭祖安，蔡燕平

（1.湖南华南光电（集团）有限责任公司，湖南 常德415000；2.西安应用光学研究所，西安710065）

1 引 言

红外焦平面阵列成像技术经过多年发展，在一些发达国家已达到相当高的水平。在国内，红外成像相关的应用也已经趋于成熟，在诸多领域发挥着不可替代的作用。但非均匀性校正作为红外焦平面成像的关键技术之一，仍然不能达到令人满意的效果[1]。非均匀性难以解决的问题，极大限制了成像系统的成像效果，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，无法很好凸显信号特征，对细节的清晰度和图像整体观感影响极大[2]。因此，针对非均匀性的多种来源，提出一种切实可行且行之有效的新型非均匀性校正方法有着重大的实际意义。

2 传统非均匀性校正方法

非均匀性指的是红外焦平面阵列在接收相同辐射量时，各个单元的输出不一致，在图像上会表现为相对固定的空间噪声[3]。假设焦平面阵列每个阵列元的响应为线性模型，则理想焦平面阵列的输出跟接收辐射量的关系可以表示为：

其中X 为焦平面阵列接收辐射量矩阵，Y 为理想焦平面阵列输出矩阵，A 为增益校正系数矩阵，B为偏移校正系数矩阵[4]。A 与探测器本身有关，相对稳定。B 可以看作是时间t 的一个函数B(t)。

传统的非均匀性校正方法中效果比较好的通常是利用两点定标计算出增益系数A，在通过即时挡板数据对偏移系数B 进行补偿[5]，具体做法为：

首先，在短时间内采集高温黑体原始数据XH和低温黑体原始数据XL。高温黑体和低温黑体的理想输出应为YH和YL，则：

根据(2)式和(3)式可以求得：

然后，将采集的目标数据记为XIN，最近一次挡板打下时的数据记为XD，理想的目标输出数据应为YOUT，挡板时的理想输出为YD，则：

根据(5)式和(6)式可以求得：

此种校正方式可以很好地解决B 在时域上不均匀的问题，但并没有考虑系统中的增益系数A 由于非理想因素导致的不均匀，也就是同一个A 是否同时适用于XIN和XD[6]。因此，往往在挡片打开之后图像会呈现一层蒙纱感。针对蒙纱感现象，在此根据非均匀性校正系统[7]，对其中的误差因素进行分析。校正系统如图1。

图1 校正系统结构图

假设机芯和探测器的温度不变。对于探测器焦平面来说，其辐射源包含几个方面：目标黑体、镜头壁、挡板、挡板内外壳、挡板外外壳和探测器管壳[8]。分析如下：

1）在挡板打下期间：辐射源包含了挡片、挡片内外壳和探测器管壳。XD的值包含了上述三个方面的辐射。

2）在挡板打开期间：辐射源包含了目标黑体、镜头壁、挡板内外壳、挡板外外壳和探测器管壳。XIN的值包含了上述五个方面的辐射。

3）XIN和XD包含了：目标黑体、镜头壁、挡片外外壳和挡片。其中，镜头壁和挡片外外壳都属于非理想效应的来源[9]。

综上，可见式(7)的应用有一个假设前提，就是计算出来的校正系数A 和B 对目标矩阵和挡片矩阵都是适用的。但是从对上述三点的分析来看，目标矩阵包括挡片矩阵镜头壁和挡片外外壳，另外就镜头的F 数一般等于1 来说，不带镜头的情况下，F 数会小很多[10]。所以严格意义上来讲，通过带镜头采集的校正系数A 和B 并不适合挡片矩阵，而适合目标矩阵。可以得出A 并不能同时适用于XIN和XD，这也是产生蒙纱感的原因。所以这种传统的非均匀性校正方法虽然有一定效果，但并不能完全解决非均匀性的问题[11]。

3 新型非均匀性校正方法

由于从严格意义上来讲目标矩阵和挡片矩阵的A 和B 无法共用，这就需要针对目标矩阵和挡片矩阵分别计算A 和B。基于进入探测器的辐射源，在此提出一种利用有无镜头情况下分别计算A 和B的新方法，具体做法为：对目标矩阵采用带镜头的方式采集高低温黑体数据，计算出A1和B1。对挡板矩阵采用不带镜头只带挡板的方式采集高低温数据。计算出A2和B2。

首先带镜头采集高低温黑体目标的时候把输入信号XH/XL分成两部分XHM/XLM和X1。其中XHM是带镜头情况下仅高温目标黑体的辐射输入，XLM是带镜头情况下仅低温目标黑体的辐射输入，X1是机芯温度稳定情况下包含了镜头壁、挡片内外壳、挡片外外壳和探测器管壳的辐射输入。公式如下：

其中，YHM/YLM是目标黑体校正后的阵列，L 是X1校正后的阵列；(YHM+L)和(YLM+L)为整体校正后的阵列，皆为均匀阵列，即阵列中所有数字一致[12]。

根据式(8)和式(9)可以得出校正数据矩阵A1和B1，公式如下：

正常目标辐射进入机芯后，其用A1、B1校正后的公式如下：

其中YM是目标校正后的输出阵列。

同理，不带镜头采集高低温目标的时候把输入信号XH/XL分成两部分XHW/XLW和X2，其中XHW是不带镜头情况下仅高温目标黑体的辐射输入，XLW是不带镜头情况下仅低温目标黑体的辐射输入，X2是包含了挡片内外壳和探测器管壳的输出。公式为：

其中YHW/YLW是不带镜头目标黑体校正后的阵列，L1是X2校正后的阵列，(YHW+L1)和(YLW+L1)为整体校正后的阵列，这两个阵列皆为均匀阵列，即阵列中所有数字一致。

根据式(13)和式(14)可以得出校正数据矩阵A2和B2，公式为：

挡板信号进入机芯后，其用A2、B2校正后的公式如下：

其中D 是挡板的辐射输入，YD是挡板D 校正后的输出阵列。

通过式(12)和式(17)相减可以得到：

结合式(11)、(16)和(18)可得：

其中(YHM+L-YHW-L1)、(A1XHM-A2XHW)是两个均匀阵列，可以忽略不计[13]。

可以看出校正后的输出阵列Y 仅和A1、A2、XM、D、XHM、XHW相关，这几个参数可以通过带和不带镜头采集高低温数据直接得到或者计算得到，与非理想效应中的镜头壁、挡片内外壳、挡片外外壳和探测器管壳的输出均无关。从而可知，Y 也是一个均匀矩阵，可用以减少蒙纱感。

上述方案可以通过采集数据进行验证。

4 效果对比

为验证新型方法而设计的机芯实物图如图2。

图2 红外探测机芯实物图

数据采集在机芯上电1 小时后进行，通过机芯的温度传感器可以得知此时机芯温度已经基本稳定。根据所提新型方案，对有无镜头条件下分别采集高温黑体（60℃）和低温黑体（10℃）数据，按传统校正方法和所提新校正方法分别进行校正成像，成像效果对比如图3、图4。

图3 均匀目标成像效果对比

图4 正常目标成像效果对比

可见，无论是在均匀目标还是正常目标的条件下，新的校正方法都可以有效减弱图像的蒙砂感（在均匀目标下效果尤为明显），大大提高成像质量。

5 结 束 语

在分析了传统红外非均匀性校正方法的原理和不足的基础上，提出了一种针对校正系统中非理想因素的新型校正方法。试验结果表明，所提方法能有效去除一部分传统校正方法无法去除的非均匀性，有效减弱图像蒙纱感，提高成像质量。因其操作方法简单易行，此新型校正方法对红外成像领域有着很高的应用价值。