短波紅外相機響應(yīng)非均勻性校正方法研究及仿真

崔磊，劉智

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

短波紅外相機響應(yīng)非均勻性校正方法研究及仿真

崔磊，劉智

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

介紹短波紅外相機非均勻性校正的兩種基本方法，兩點校正法以及多點校正法，同時提出改進算法即定標和場景融合的校正算法。此方法能夠自適應(yīng)克服紅外焦平面陣列探測單元的響應(yīng)漂移現(xiàn)象，克服外界環(huán)境改變帶來的校正誤差，實現(xiàn)短波紅外相機在工作時間延長和多變環(huán)境情況下的高精度實時非均勻性校正，且不需要重新定標，方法簡單，效果明顯。采用像元數(shù)為320×256的紅外焦平面陣列進行紅外相機非均勻性實時校正實驗，并將三種方法用MATLAB軟件分別進行仿真，實驗結(jié)果達到預(yù)期目的，校正效果良好。

紅外焦平面陣列；探測單元；增益；偏移量

短波紅外成像技術(shù)可提供可見光、微光夜視、中波、長波紅外成像所不能提供的信息，對于在紅外波段獲取完整目標信息具有重要意義，所以短波紅外相機的應(yīng)用前景是無可估量的［1］。它既可用于紅外焦平面夜視，紅外成像制導(dǎo)及光電對抗等軍事領(lǐng)域，又可應(yīng)用在紅外天文學(xué)、醫(yī)療、交通、公安等生活領(lǐng)域，軍民兩用，適用范圍十分廣泛［2］。由于受材料、環(huán)境以及工藝水平的影響，紅外焦平面陣列響應(yīng)非均勻性比較大，制約紅外系統(tǒng)探測性能，難以達到實用要求［3］。當(dāng)短波紅外相機進行激光測量時，其非均勻性校正便變得格外重要。良好的均勻性會讓測試結(jié)果更精準，更貼合實際。因此，對紅外圖像進行實時非均勻性校正，以便獲取精準圖像已成為紅外成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中勢不可擋的趨勢［4］。

本文介紹兩點校正法、多點校正法，在此基礎(chǔ)上提出定標和場景融合的校正新算法，并利用MATLAB軟件實現(xiàn)紅外圖像非均勻性實時校正的過程。

1 非均勻性校正的基本方法

1.1 兩點校正法

兩點校正法是較早用于紅外成像系統(tǒng)進行校正的一種方法，并且也是目前最為成熟的方法之一［5］。

兩點校正法建立在如下2個假設(shè)條件情況下：

（1）每個探測單元的響應(yīng)是線性的；

（2）探測單元的響應(yīng)必須具有時間的穩(wěn)定性，否則定標數(shù)據(jù)在使用時就會失去意義［6］。在此條件下，紅外焦平面陣列在均勻輻射背景下任一像元的響應(yīng)輸出為：

式中，Xij(φ)為探測元的響應(yīng)輸出值；φ為輻射通量；Mij和Nij為焦平面陣列第i行第 j列探測元的增益和偏移量。因此，采用此方法得到非均勻性校正公式為：

式中，Kij和Bij分別為兩點校正中的校正增益和校正偏移量；Xij(φ)為校正前的探測單元響應(yīng)值，Yij(φ)為校正后的輸出值。

兩點校正即是特定條件光源均勻照射紅外圖像傳感器，通過各陣列元對不同輻射通量的響應(yīng)計算出Kij和Bij從而實現(xiàn)非均勻性校正。將所有陣列元在輻射通量下的響應(yīng)分別歸一化為 Xn(φ1)和Xn(φ2)。

則校正增益和校正偏移量可通過下式（4）計算出：

其中，Xij(φ1)和Xij(φ2)分別為像元（i，j）在輻射通量φ1、φ2背景下的響應(yīng)。再根據(jù)公式（2），即可實現(xiàn)兩點校正。

1.2 多點校正法

歡迎李嶠汝重新回到鄭州的午宴安排在河南飯店。河南飯店現(xiàn)在雖說只剩個虛名，畢竟還掛著河南兩個字。愧疚，補償，總得有個表達的形式，蘇楠理解姥姥他們的心理。飯桌上，姥姥不時絮叨出一些蘇楠她們根本就沒有記憶的往事。蘇楠和李嶠汝都很配合，兩個人頭還湊到一起自拍了張照片。李嶠汝傳到微信上，配的文字是，3 0多年前的親姐妹。蘇楠不甘落后，在下面回復(fù)糾正，3 0多年后也是親姐妹。

兩點校正法建立在紅外焦平面陣列探測單元響應(yīng)是線性假設(shè)條件下，這種假設(shè)是理想化的，實際情況并非如此［7］。對于要求較高的應(yīng)用場合，即可采用多點校正法來降低非線性帶來的誤差，即分段采用兩點校正法，如下圖1所示：

根據(jù)兩點校正公式的推導(dǎo)過程可得到多點校正的k-1段線性區(qū)間內(nèi)的校正系數(shù)為：

則：

式中，Kij(φl)和Bij(φl)分別為多點校正中第l個區(qū)間內(nèi)的校正增益和校正偏移量，Xij(φ)為探測元響應(yīng)表輸入值，Yij(φ)為校正后輸出值。

2 非均勻性校正的改進算法

前面介紹了兩種常用的非均勻性校正算法，算法結(jié)構(gòu)簡單，實時性強，但隨著工作時間的延長和環(huán)境的復(fù)雜多變，焦平面陣列各探測單元的響應(yīng)會發(fā)生緩慢漂移，這就會給定標類算法帶來新的校正誤差。而場景類校正算法不需要定標，能夠自適應(yīng)跟隨探測單元的響應(yīng)漂移，但算法量大，難以實時實現(xiàn)。在此提出一種新方法，即定標和場景融合校正方法。此法結(jié)合定標類算法實時性強特點和場景類算法自適應(yīng)跟蹤漂移特點，可實現(xiàn)紅外焦平面陣列在長時間工作和復(fù)雜環(huán)境條件下的高精度實時非均勻性校正。

定標和場景融合校正方法將多點定標和場景算法相結(jié)合，通過相關(guān)系數(shù)來修正非均勻性偏移參數(shù)，從而實現(xiàn)紅外場景圖像的自適應(yīng)非均勻性校正。實現(xiàn)過程如圖2所示。

由多點校正通用公式可知紅外焦平面陣列非均勻性校正表達式如下：

式中，系數(shù)Kij（φl）和Bij(φl)表達式分別為

圖2 定標和場景融合校正算法實現(xiàn)流程圖

圖3 紅外焦平面陣列各探測元響應(yīng)漂移圖

如圖3所示，橫坐標表示功率，縱坐標表示紅外焦平面陣列探測元響應(yīng)輸出值。由圖可知，當(dāng)外界環(huán)境變化時，探測單元的偏移系數(shù)漂移較大，增益系數(shù)漂移較小。因此，可通過消除非均勻性校正偏移系數(shù)漂移來減少非均勻性校正誤差。校正過程中所使用的紅外特征模板圖像在實驗室環(huán)境條件下獲取，紅外場景圖可在外場環(huán)境下或?qū)嶒炇噎h(huán)境變化時獲取。在相同輻射通量下，紅外特征模板圖像跟場景圖像之間存在一定漂移現(xiàn)象并且具有一定相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)P的表達式為：式中，Xij和分別表示場景圖像及其均值；Vij(φl)和(φl)分別表示特征模板圖像及其均值。

在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合多點校正公式即得到定標和場景融合校正算法公式為：

式中，Kij和Bij分別表示為探測單元的增益和偏移系數(shù)；P為場景圖像與特征模板圖像的相關(guān)系數(shù)，RBij表示修正后的偏移系數(shù)；Xij和Yij分別表示非均勻性校正前后的紅外場景圖像。

3 仿真與結(jié)果分析

3.1 兩點校正法

紅外焦平面陣列探測元的響應(yīng)輸出隨激光器功率變化趨勢如下：

圖4 紅外焦平面陣列各探測單元響應(yīng)曲線圖

圖4橫坐標為激光器功率 p，縱坐標為各探測單元響應(yīng)輸出值。根據(jù)圖4，可以選取不同的 p1，p2作為定標點對圖像進行校正，但校正結(jié)果會隨p1，p2的變化受到影響。

表1 不同p1，p2校正0.1μW條件下圖片的非均勻性NU計算結(jié)果

由表1可知：環(huán)境溫度26℃，積分時間2ms，p1=0.05μW，p2=0.8μW時，非均勻性達到最小為0.87%。此時，圖5為功率為0.1μW條件下未校正的圖片，圖6為采用兩點校正法校正的圖片：

圖5 未校正的圖片

圖6 兩點法校正后的圖片

下面計算上圖中圖像校正前后的非均勻性。原始圖像（4）非均勻性：

兩點校正后的圖像（5）非均勻性：

圖7為激光器功率0.01μW條件下兩點法校正前后三維空間對比結(jié)果，圖中，水平面代表陣列為320*256的紅外焦平面陣列，縱坐標代表各個探測單元響應(yīng)灰度值。

圖7 兩點法校正前后三維空間對比圖

由上述計算結(jié)果可以得到：兩點校正后圖片非均勻性顯著下降，達到實驗?zāi)康摹?/p>

3.2 多點校正法

根據(jù)線性趨勢將圖像以0.1μW為間隔將區(qū)間劃分多段，每段均按照兩點法進行校正。實驗環(huán)境不變。圖8為采用多點校正法后得到的功率為0.1μW條件下的校正圖片：

圖8 多點法校正后的圖片

多點校正后的圖（7）非均勻性：

圖9為激光器功率0.45μW條件下多點法校正前后三維空間對比結(jié)果：

圖9 多點法校正前后三維空間對比圖

由上述計算結(jié)果可以得到：多點校正后圖片非均勻性優(yōu)于兩點校正，效果顯著，達到實驗?zāi)康摹?/p>

3.3 定標與場景融合新算法

對紅外場景圖像分別進行多點校正以及定標與場景融合校正方法校正，當(dāng)積分時間2ms，功率為0.45W條件下仿真結(jié)果分別如下圖10、圖11：

圖10 原始多點法校正后的圖片

圖11 改進算法校正后的圖片

運用多點校正法以及定標與場景融合校正方法校正后圖像的非均勻性分別為：

三維空間對比結(jié)果如圖12所示：

圖12 原始多點法及改進算法校正后三維空間對比圖

由圖12可看出，定標與場景融合新算法明顯好于原始多點校正法。

4 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，短波紅外相機采集的圖像經(jīng)兩點校正法及多點校正法校正之后具有非均勻性顯著下降，校正過程簡單，處理速度快的優(yōu)點，能夠有效地解決紅外成像技術(shù)中實時性難題。定標和場景融合方法既結(jié)合了定標類算法實時性強的特點以及場景類算法自適應(yīng)跟蹤漂移特點，又能夠?qū)崿F(xiàn)紅外焦平面陣列在長時間工作和復(fù)雜環(huán)境下的高精度實時非均勻性校正。仿真結(jié)果表明，定標和場景融合校正算法具有較強的環(huán)境適應(yīng)性能，且校正效果良好。

［1]菜毅，胡旭.短波紅外成像技術(shù)及其軍事應(yīng)用［J］.紅外與激光工程學(xué)報，2006，35（6）：643-647.

［2]張輝，趙保軍，唐林波，等.基于自適應(yīng)多特征整合的紅外目標跟蹤［J］.光學(xué)學(xué)報，2010，30（5）：1291-1296.

［3]熊輝，楊衛(wèi)平，沈振康.紅外焦平面陣列非均勻性校正算法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1998（12）：40-43.

［4]胡曉梅.紅外焦平面探測器的非均勻性與校準方法研究［J］.紅外與激光工程，1999，28（3）：9-12.

［5]Kumar A，Sarkar S，Agarwal R P.A novel algorithm and FPGA based adaptable Architecture for correcting sensor non-uniformities in infrared system［J］.Micro?processors and Microsystems，2007，31（6）：403-404.

［6]陳寶國，鄭志偉，黃士科.利用FPGA實現(xiàn)紅外焦平面器件的非均勻性校正［J］.紅外與激光工程，2000，29（4）：55-57.

［7]吳傳璽，代少升.基于DSP的紅外成像系統(tǒng)與盲元處理算法設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2011，35（3）：25-28.

Research and Simulation of Non Uniformity
Correction Method for Short Wave Infrared Camera

CUI Lei，LIU Zhi
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，two basic methods of nonuniformity correction of short wave infrared camera are introduced，including two-point correction method and multiple point correction method.At the same time，an improved algorithm is proposed，which is the correction algorithm of calibration and scene fusion.The response drift of the infrared focal plane array detector can be over?come.To overcome the correction error caused by the change of the external environment，high precision real time nonuniformity correction of short wave infrared camera in working time and changeable environment can be realized.And the standard need not to be reset，the method is simple，the effect is obvious.Nonuniformity real-time calibration experiment is adopted in infrared cam?era using infrared focal plane array with pixel number 320×256.And the three methods are simulated by MATLAB software，the experimental results showed that the desired objectives is achieved and the correction effect is good.

infrared focal plane array；detection unit；gain；offset

TN21

A

1672-9870（2017）02-0106-05

2016-12-19

崔磊（1991-），女，碩士研究生，E-mail：642619776@qq.com

劉智（1971-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：2311547@qq.com