非均勻校正算法在雷達紅外引導儀上應用?

張志敏

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

在靶場試驗中，紅外引導儀能用來對快速捕獲目標，可以引導雷達波束快速完成對目標的捕獲。由于受熱像儀器件的半導體材料、制造工藝以及外界溫度等因素的影響［9］，紅外圖像的非均勻性的會對成像效果產生嚴重的影響，使得紅外的圖像模糊不清。紅外圖像的非均勻是指在外界均勻光場輸入時各單元之間響應輸出的不一致性［3］，在圖像上表現為空間固有模式噪音或固定圖案噪聲，數學上可采用各像素灰度值與圖像所有像素的平均灰度值之比作為熱像儀非均勻性的度量。

紅外圖像非均勻校正算法很多，目前探測器非均勻性校正方法主要有二點溫度定標法、多點溫度定標法、時域高通濾波法和人工神經網絡法（ANN）等［4～6］。基于場景的校正方法對當前圖像進行校正時需要用到先前的圖像統計信息，計算量復雜，容易產生鬼影［11］。因此，在雷達紅外引導儀上非均勻校正選用定標法中的二點定標校正法。

2 非均勻性校正方法

2.1 二點定標校正法

假設各陣列元的響應特性在所感興趣的溫度范圍內是線性的，在時間上是穩定的，并假定1∕f噪聲的影響較小，則非均勻性引入的噪聲為固定模式的乘性和加性噪聲［7～8］。在此條件下焦平面陣列元在均勻輻射背景條件下的輸出為

式中：?為輻射通量；uij和vij為坐標為（i，j)陣列元的增益和偏置量。對于每一個陣列元來說，uij和vij的值都是固定的，并且不隨時間變化。因此采用二點定標校正即可實現紅外焦平面陣列圖像的非均勻性校正［1］。即：

式中：Gij和Oij為二點定標校正法的增益校正系數和偏置校正系數；yij為校正后的輸出。

圖1 二點定標校正法示意圖

二點定標校正法是利用焦平面各陣列元在溫度不同的兩個黑體（高溫TH和低溫TL）的均勻輻射下的響應輸出，求得Gij和Oij，從而實現非均勻性校正。圖1中給出了二點定標校正法的示意圖。圖（a）和（b）分別為高溫和低溫輻射的響應輸出，圖（c）為校正后的輸出。S光敏輸出元輸出信號，A為增益，B偏置量。

2.2 二點定標校正實現方法

二點定標校正法的具體實現方法是：將所有陣列元在高溫TH和低溫TL下均勻黑體輻射的響應分別歸一化為VH和VL，即

（TH，VH）和（TL，VL）兩點所確定的直線就是我們擬定的標準直線。其中xij（fH）和xij（fL）分別為像元（i，j）在高溫TH和低溫TL均勻輻射背景下的響應。

增益校正系數和偏置校正系數即可通過下式計算出來

將各陣列元的增益校正系數Gij和偏置校正系數Oij預先存儲起來，在探測過程中以此校正系數對探測器的響應值按式（6）不斷進行校正。

當用于地面或近地的紅外探測，由于地面或近地環境溫度通常都處于300K左右［8］，采用二點定標校正方法也可獲得較好的校正效果。

3 紅外成像非均勻校正算法實現

系統設計了兩種工作模式來完成紅外圖像非均勻性校正和顯示，各狀態的工作內容如表1所示。

在顯示工作模式，系統上電復位后DSP對系數存儲器初始化（S態），將實驗室兩點標定過的校正系數（存儲在FLASH中）根據實際情況（當前積分時間選擇及校正動態范圍需求），調入片上高速RAM中待用。其后DSP發送狀態轉移觸發指令，使系統控制狀態機進入顯示工作模式（S0∕M0）。這一狀態下，系統將系數存儲器控制權交給FPGA［2］，由FPGA采用流水線方式在讀出探測器像元信息的同時讀出校正系數，并完成各像元的實時校正（乘加算法）過程，校正后的數據寫入幀存。幀存控制采用乒乓方式：校正后的圖像數據寫入幀存A的同時，幀存B按照標準PAL制時序讀出前一幀的圖像數據，送至顯示電路進行高質量顯示。

非均勻校正系數的標定通過在實驗室內采用高精度面源黑體進行，在-10℃～50℃之間每間隔5℃對不同積分時間進行非均勻參數校正，并裝訂在像機內［10］。為保證探測背景環境適應性，設計的靶場紅外引導儀成像器配置了一個兩點面源黑體，黑體低溫溫度低于環境溫度10℃以上［12］，解決了夏季環境溫度與背景紅外輻射溫度差異較大而造成的非均勻校正較差的問題，保證了紅外成像系統的探測靈敏度。

表1 工作模式控制狀態機中各態含義

4 驗證結果

紅外成像采用非均勻校正算法實現，通過DSP和FPGA的設計，使得系統既可以完成校正系數的實驗室標定，也可針對實際使用情況選擇適當的校正算法以獲得最佳的成像質量。圖2列出了系統在一些實際場景下拍攝的校正前后的紅外比對圖像，從中可以看出本系統校正算法的實現效果。

圖2 系統在實際場景下拍攝的校正前后的紅外比對圖像

5 結語

雷達紅外引導儀采用二點定標校正法，結合所選紅外熱像儀，為保證探測背景環境適應性，解決了夏季環境溫度與背景紅外輻射溫度差異較大而造成的非均勻校正較差的問題，保證了紅外成像系統的探測靈敏度。雷達紅外引導儀的成功研制，較好地解決了雷達在近距離快速目標時捕獲目標難題。該系統自投入使用以來，參加并圓滿完成了多項試驗任務。