一種校正紅外成像系統快門非均勻性的方法

閆相宏，蔣 偉，袁 凱，呂 堅，周 云

（電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川省成都市，郵編610000）

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一種校正紅外成像系統快門非均勻性的方法

閆相宏，蔣 偉，袁 凱，呂 堅，周 云

（電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川省成都市，郵編610000）

紅外圖像除了紅外焦平面陣列本身的非均勻性之外，鏡頭、外殼、快門等都會造成紅外圖像的非均勻性。隨著科技的不斷進步，非制冷紅外熱成像系統的體積在不斷減小，熱成像系統的散熱問題逐漸凸顯。使用快門校正的熱像儀在長時間工作后，快門受熱造成圖像的非均勻性無法消除。因此，在對熱像儀進行非均勻性時，使用改進的方法重新計算非均勻性校正參數，可以有效的消除由于快門發熱造成的非均勻性的影響，在長時間使用紅外熱成像系統時，可以提高紅外圖像質量。

非制冷紅外熱成像系統；散熱；紅外圖像；非均勻性；校正；快門

1 引言

在軍事、農業、工業、醫療、森林防火、監控等方面,紅外成像系統都發揮著重要的作用[1]。紅外成像系統,以其可靠性高、體積小、功耗低等優勢在各國的科研當中占據著重要地位[2]。

紅外成像系統由于紅外焦平面陣列制造材料、掩膜誤差、工藝條件等因素的影響，在受到均勻輻射的情況下，探測器輸出幅度不同，造成紅外圖像呈現非均勻狀態[3]。同時，紅外成像系統也會引入其他非均勻性因素，比如鏡頭、系統本身發熱、快門等。隨著紅外成像系統體積越來越小，結構越加緊湊，快門也在逐漸減小，由此引入的快門的非均勻性也是造成紅外圖像非均勻性的原因[4]。

目前紅外成像系統除了需要進行傳統的兩點校正以外，在實際使用過程中，由于隨著使用的時間以及環境溫度的變化以及紅外成像系統焦平面陣列本身的溫度發生的變化，會產生溫漂，因此需要進行頻繁的快門修正以消除紅外焦平面陣列的非均勻性的影響[5]。

此處假定了快門是均勻的，才可以消除紅外焦平面陣列的非均勻性，然而實際情況卻是快門也會隨著紅外系統溫度的漂移而產生非均勻性，使得紅外成像系統的非均勻性無法得到修正。

2 兩點校正原理

兩點校正算法是現在使用最為廣泛和成熟的紅外圖像的校正算法，在兩點校正算法當中，假定紅外探測器的響應特性是線性的，且響應具有時間穩定性，受隨機噪聲的影響較小[6]。在這兩個條件下，可以用公式（1）來表示探測器像元的信號輸出值：

通過式（3）和（4），可以消除探測器的非均勻性[7]。

然而在熱像儀的實際工作過程中，由于探測器制作工藝以及陣列響應隨溫度發生漂移，導致偏移校正量失效。因此，在兩點校正方法的基礎上，通過在探測器前方增加均勻的快門，工作過程中通過采集快門的響應值，重新計算新的偏移校正量，使得紅外熱像儀可以連續工作不影響紅外圖像質量[8]。

3 基于快門的兩點校正的改進

隨著技術的進步，紅外熱像儀的體積越來越小，相對應的熱像儀的熱設計也逐漸復雜和困難。在長時間使用紅外熱像儀的過程中，普通的兩點校正方法并不能消除紅外圖像的非均勻性，紅外圖像在屏幕上的周圍亮度會升高，造成紅外圖像質量下降。

在基于快門的兩點校正的方法當中，假定了快門是表面溫度均勻的。然而在結構緊湊的紅外熱像儀當中，長時間工作導致熱像儀溫度升高，造成了快門實際上并不是一個均勻受熱的物體。基于此，為了消除快門帶來的非均勻性，必須在校正后的像元響應當中刨除快門的影響，在此提出了改進偏移校正量的方法。新的函數關系如下：

從上述的計算公式可以看到，校正增益系數并沒有發生變化，而偏移校正量的式子當中包含了快門的非均勻性，從而達到消除快門影響的目的。

4 實驗結果

為了驗證提出方法的正確性，使用NI公司的PCIe-6535數據采集卡對數據進行采集，在Matlab當中進行驗證，實驗過程中，將紅外熱像儀工作較長時間，通過FPGA程序控制快門處于長時間閉合狀態。通過采集卡采集到的原始紅外圖像導入Matlab如圖1所示。

使用熱像儀分別采集高溫黑體數據和低溫黑體數據，當使用一般的兩點校正時，經過校正的紅外圖像如圖2。

可以看到紅外圖像的四周的響應偏高，特別是圖像的左、右上角，細節極其模糊。使用改進的兩點校正方法處理的紅外圖像如圖3。

通過圖2和圖3的對比，可以看到快門的非均勻性被很好的消除了，圖像細節得到顯現。

圖1 長時間工作后擋片的原始圖像

圖2 使用普通兩點校正的紅外圖像

圖3 使用改進的兩點校正的紅外圖像

5 結束語

紅外熱像儀的非均勻性校正在紅外圖像處理中始終是重要的一環。兩點校正由于其計算并不復雜，有利于對圖像進行實時處理。但是在使用兩點校正算法時，需要分析具體的應用環境對算法進行改進，使得紅外圖像的質量達到最佳。

[1]李升才,肖順旺,徐宗昌.非制冷紅外焦平面技術、應用及其發展 [C].//中國光學學會光電技術專業委員會成立二十周年暨全國光電技術與系統學術會議.北京:電子工業出版社,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]吳澤鵬.非制冷紅外熱成像系統關鍵技術研究[D].中國科學院研究生院 (長春光學精密機械與物理研究所),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]董珍時,劉小波.紅外焦平面探測器非均勻性的簡化數學模型[J].激光與紅外,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.紅外圖像實時非均勻性校正技術研究及硬件實現[D].南京:南京理工大學,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.

[6]何火勝.紅外圖像兩點非均勻性校正算法工程實現[J].科技與創新,2014,(12):4-5.He Huosheng.Engineering Implementation of a Non-uniformity Correction Algorithm for IRFPA Based on Two Points.[J].Science and Technology&Innovation,2014,(12):4-5.

[7]李旭.基于兩點的紅外圖像非均勻性校正算法應用[C].哈爾濱:第二屆紅外成像系統仿真測試與評價技術研討會.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]江橋.小型化非制冷紅外熱成像組件的設計實現 [D].成都:電子科技大學,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

閆相宏（1992—），男，山西省晉中市人，碩士，主研方向：電子與通信工程，微電子學與固體電子學。

2017-03-28