CN103308178A - 一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法，包括计算红外焦平面阵列在至少两个标定工作温度下的校正参数并将其存储在存储器中；测量红外焦平面阵列的衬底温度；根据衬底温度，从存储器中获取与衬底温度相对应的当前校正参数；用当前校正参数校正红外图像。本发明的方法中由于储存了红外焦平面阵列在各个标定工作温度下的校正参数，当红外焦平面阵列工作时，不需要对红外焦平面阵列进行一点校正，直接从系统存储器中读取与红外焦平面阵列当前工作温度相对应的校正参数，从而保证了红外成像系统实现不间断的对红外目标实时成像。

Description

一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法

技术领域

本发明涉及红外成像系统领域，尤其是涉及一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法。

背景技术

红外焦平面阵列是20世纪70年代末80年代初，在国防应用以及其它战略与战术应用的推动下发展起来的。它是获取景物红外热辐射信息的重要光电器件。红外焦平面阵列是红外成像技术的核心部件，广泛用于军事、工业、农业、医疗、森林防火等各个领域的成像。

红外成像系统是红外热成像系统的重要组成部分。目前各种红外成像系统已经广泛应用到通信、医疗、军事、工业等领域。

红外焦平面阵列属于第二代红外成像器件，是现代红外成像系统的核心，具有结构简单、工作稳定、噪声等效温差小、灵敏度高等优点。

红外系统在理想情况下，红外焦平面阵列受均匀辐射，输出幅度应该完全一样。但实际上，由于制作器件的半导体材料不均匀（杂质浓度、晶体缺陷、内部结构的不均匀性等）、掩膜误差、缺陷、工艺条件等因素的影响，受均匀辐射的情况下，其输出幅度并不相同，这就是红外焦平面阵列响应的非均匀性。

造成红外非均匀性的原因有很多，其中主要是热像探测元自身的非均匀性，另外红外焦平面阵列的外界输入也会造成对非均匀性的影响。如探测器的偏置电压、偏置电流的不同，也会造成输出的不均匀性，主要表现为固定加性噪声。但是由于受到制作材料以及制作工艺的限制，红外焦平面阵列各个像元的响应特性无法做到完全一致。

红外焦平面阵列的这种非均匀性会严重影响红外成像系统的探测灵敏度和空间分辨率。因此，在实际使用中都需要对红外焦平面阵列做非均匀性校正。

目前，常用的红外非均匀性校正技术有很多种，如基于定标的一点校正、两点校正非均匀算法、基于场景的时域高通滤波法、自适应的人工神经网络法和均值滤波算法等等。但是目前还没有找到一种适应性较强的算法，各种非均匀性算法都有它的不足。

现有技术中，目前广泛被应用于实践的是一点定标算法和两点定标算法。

两点校正算法考虑了探测器的增益不均匀性和偏置不均匀性，在通常情况下，当入射红外辐射为零的时候，探测器的响应输出不为零。两点校正法将所有探测单元的响应特性曲线通过旋转平移，变换为同一条响应特性曲线。经过校正后，在均匀的辐射输入情况下，各个探测单元的输出电信号相同，从而消除红外图像的非均匀性噪声。但是进行红外图像的两点校正需要进行温度定标。

一点校正算法是最早的非均匀性校正算法，针对增益系数不均匀性和偏置系数不均匀性的两种情况，一点校正法也可以分为两种，分为增益系数不均匀的校正和偏置不均匀的校正，但是一次只能满足一种校正。

采用对偏置的不均匀性校正，一点校正的原理是假定探测器光敏元的输出信号与目标的辐射通量呈线性关系，一点校正算法就是在均匀光辐射下，把各个像元的输出信号校正为一致，即在某一光辐照度下，把不同的像元的输出信号校正为某一信号，这个信号可以是此条件下的最大值或者是其它某一个值，一般取平均值。

一点校正的实质只是对器件的暗电流作了补偿，并没有对增益作出校正。

在焦平面阵列的实际工作中，探测器光敏元的输出信号与目标的辐射通量之间呈非线性关系，增益和偏置也会随着环境温度的变化而产生非线性变化，导致红外焦平面阵列的红外非均匀性。两点校正方法是将红外焦平面阵列的工作温度区间按温度的上升梯度划分成各个小的温度区间。在一个小的温度区间内，假定探测器光敏元的输出信号与目标的辐射通量呈线性关系，然后利用两点校正的算法计算出这个小的温度区间内的偏置参数。

随着市场的需求和技术的进步，目前红外成像系统普遍采用了无TEC的封装形式，无TEC封装形式的红外成像系统除了需要进行传统的两点校正以外，在实际的使用过程中，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红外非均匀性的影响。

在宽温度范围下，如果利用一点校正算法来消除红外焦平面阵列的红外非均匀性，需要在一点校正的时候给红外成像系统焦平面阵列选取均匀的辐照度，这种方法使得在红外成像系统的实际使用过程中，必须暂时中断红外成像系统对红外目标的信息获取。这种频繁的快门修正严重影响了红外成像系统对红外目标的连续观测。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够更新红外成像系统的校正参数而不需要中断红外成像系统的非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法。

本发明实施例公开的技术方案包括：

提供了一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法，其特征在于，包括：步骤A：计算红外焦平面阵列在至少两个标定工作温度下的校正参数，并将所述校正参数存储在存储器中；步骤B：测量所述红外焦平面阵列的衬底温度；步骤C：根据所述衬底温度，从所述存储器中获取与所述衬底温度相对应的当前校正参数；步骤D：用所述红外焦平面阵列对目标物体进行红外成像，获取红外图像；步骤E：用所述当前校正参数对所述红外图像进行校正。

进一步地，所述步骤A包括：将红外成像系统放置在恒温箱中；调节所述恒温箱的温度到第一标定工作温度并保持在所述第一标定工作温度；用两点校正法计算所述红外成像系统的所述红外焦平面阵列在所述第一标定工作温度下的第一校正参数；将所述第一校正参数存储在所述存储器中；调节所述恒温箱的温度到第二标定工作温度并保持在所述第二标定工作温度；用两点校正法计算所述红外焦平面阵列在所述第二标定工作温度下的第二校正参数；将所述第二校正参数存储在所述存储器中。

进一步地，所述步骤A还包括：调节所述恒温箱的温度到第三标定工作温度并保持在所述第三标定工作温度；用两点校正法计算所述红外焦平面阵列在所述第三标定工作温度下的第三校正参数；将所述第三校正参数存储在所述存储器中。

进一步地，所述步骤C包括：比较所述衬底温度与所述至少两个标定工作温度，获得与所述衬底温度相等或者与所述衬底温度之间的差值最小的标定工作温度作为对应工作温度；在所述存储器中读取所述对应工作温度下的校正参数，以所述对应工作温度下的校正参数为所述当前校正参数。

进一步地，所述步骤C包括：比较所述衬底温度与所述至少两个标定工作温度所属的小温度区间，判断所述衬底温度所属的小温度区间；以所述衬底温度所属的小温度区间的校正参数为所述当前校正参数。

进一步地，所述校正参数包括偏置参数和/或增益参数。

本发明的实施例的方法中，由于储存了红外焦平面阵列在各个标定工作温度点下的校正参数，当红外焦平面阵列工作时，不需要对红外焦平面阵列进行一点校正，直接从系统存储器中读取与红外焦平面阵列当前工作温度相对应的校正参数，从而保证了红外成像系统实现不间断的对红外目标实时成像。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法的流程示意图。

图2是本发明一个实施例中的标定并且存储校正参数的步骤的流程示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明的实施例。

图1是本发明一个实施例的一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法的流程示意图。如图1所示，本实施例中，非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法包括步骤10、步骤12、步骤14和步骤16。下面将结合附图对方法中的各个步骤进行详细说明。

步骤10：标定并且存储校正参数。

本发明的实施例中，首先对红外成像系统的红外焦平面阵列进行标定，获得该红外焦平面阵列在各个标定工作温度下的校正参数，然后将这些校正参数存储在红外成像系统的存储器中，以供后续红外成像过程中，按需要调用。例如，后续的红外成像过程中，当出现温漂的时候，从存储器中读取相应工作温度下的当前校正参数并用该当前校正参数对红外图像进行校正来补偿温度的漂移。

红外焦平面阵列的工作温度有一定的区间范围，如果对工作温度区间范围中的每个温度点都进行标定，工作量将非常庞大，并且需要存储的校正参数的数据量也将非常大，因此对每个温度点都进行标定非常困难。

因此，本发明的实施例中，可以在红外焦平面阵列的工作温度区间内选择一些标定工作温度（至少两个标定工作温度）进行标定，获得这些标定工作温度（至少两个标定工作温度）下的校正参数。

本发明的一些实施例中，可以将红外焦平面阵列的工作温度区间按温度上升的梯度划分成各个小的温度区间。根据红外成像系统的温度传感器的灵敏度和红外焦平面阵列的材料特性，为每一个小温度区间选取合适的温度范围。在同一个小的温度区间内，使用相同的校正参数。不同的小温度区间，校正参数不同。这样，对于每个小温度区间，只需标定其中一个温度点处的校正参数作为整个小温度区间的校正参数即可，即，此时，前述选择的用来标定的标定工作温度分别属于这些小温度区间中的一个温度。这里，小温度区间的选择和小温度区域中用于标定的温度的选择均可以根据实际情况灵活选择，本发明不做特殊的限制。

这些实施例中，红外成像系统的存储器中相应地也存储每个小温度区域的相关信息，例如每个小温度区间的端点的温度值等等。

本发明的另一些实施例中，前述选择的用来标定的标定工作温度是在红外焦平面阵列的工作温度区间根据实际情况的需要选择的一些温度点。两个选定的标定工作温度之间的其余温度点使用距离它最近的标定工作温度的校正参数即可。这里，标定工作温度的选择可以根据实际情况灵活选择，本发明不做特殊限制。各个标定工作温度之间的间距（即两个标定工作温度之间温度的差）可以是相同的（即选择的标定工作温度在红外焦平面阵列的工作温度区间中均匀分布），也可以是不同的（即选择的标定工作温度在红外焦平面阵列的工作温度区间中非均匀分布）。

因此，在步骤10中，计算红外焦平面阵列在至少两个标定工作温度下的校正参数，并且将计算出的校正参数存储在红外成像系统的存储器中。

本发明的一个实施例中，标定并存储校正参数的流程可以如图2所示。

首先，在步骤101中，将红外成像系统放置于恒温箱中，也就是说，对红外成像系统的红外焦平面阵列的标定过程将在恒温箱中进行。

然后，在步骤102中，调节恒温箱的温度，将恒温箱的温度调节到一个标定工作温度，并保持在这个标定工作温度。

随后，在步骤106中，计算在当前的标定工作温度下红外焦平面阵列的校正参数。这里，计算一定温度下红外焦平面阵列的校正参数的方法可以使用任何适合的方法，例如，可以使用两点校正方法。这些方法可以是本领域内常用的方法，在此不再详述。

然后，将步骤106中计算获得的该标定工作温度下的校正参数存储在红外成像系统的存储器中。计算获得的校正参数可以存储在红外成像系统中的任何适合的存储器中。

这样，即完成了一个标定工作温度下的校正参数的标定和存储。

这一个标定工作温度下的校正参数的标定和存储完成之后，在步骤110中，判断是否所有需要标定的标定工作温度都已经标定完成。这里，如前文所述，需要标定的标定工作温度可以根据实际情况灵活选择。

如果步骤110中判断所有需要标定的标定工作温度还没有标定完成，则调节恒温箱的温度到下一个标定工作温度，并保持在这个标定工作温度，然后执行上述的步骤106、108和110。

如果步骤110中判断所有需要标定的标定工作温度都已经标定完成，则标定并且存储校正参数步骤（即步骤10）结束。

例如，一个实施例中，步骤10可以包括下列步骤：

将红外成像系统放置在恒温箱中；

调节恒温箱的温度到第一标定工作温度并保持在第一标定工作温度；

用两点校正法计算红外成像系统的红外焦平面阵列在第一标定工作温度下的第一校正参数；

将第一校正参数存储在存储器中；

调节恒温箱的温度到第二标定工作温度并保持在第二标定工作温度；

用两点校正法计算红外焦平面阵列在第二标定工作温度下的第二校正参数；

将第二校正参数存储在存储器中。

上述实施例中，还可以包括：

调节恒温箱的温度到第三标定工作温度并保持在第三标定工作温度；

用两点校正法计算红外焦平面阵列在第三标定工作温度下的第三校正参数；

将第三校正参数存储在存储器中。

容易理解，类似地，上述实施例还可以包括在第四标定工作温度、第五标定工作温度、第六标定工作温度等等的多个标定工作温度下的类似的步骤。

本发明的实施例中，在存储计算获得的各个标定工作温度下的校正参数时，可以按照任何适合的方式或者数据结构存储。例如，可以将存储器根据选取的标定工作温度的多少划分为多个存储空间，每个存储空间根据红外焦平面阵列的规格选取合适的大小，每一个存储空间对应红外焦平面阵列的一个标定工作温度，并且存储对应的该标定工作温度下按照前述步骤计算出的校正，在一个存储空间内，校正参数可以按照红外焦平面阵列像元位置的分布依次存储。

本发明的实施例中，前述的校正参数可以是任何适合于对红外成像系统的红外焦平面阵列的非均匀性进行校正的参数。例如，一个实施例中，这里的校正参数可以是偏置参数和/或增益参数。偏置参数和/或增益参数的概念是本领域内非均匀校正中的常用概念，在此不再详述。

步骤12：测量红外焦平面阵列的衬底温度。

红外焦平面阵列的衬底温度表示了红外焦平面阵列的当前的工作温度。本发明的实施例中，在步骤12中，测量红外焦平面阵列的衬底温度。这个测量可以通过温度传感器实现。温度传感器将红外焦平面阵列的衬底的温度转换为电信号，并经过模数转换，转换成数字信号，然后发送到红外成像系统的控制器。

例如，一个实施例中，温度传感器可以包括热敏电阻。热敏电阻的阻值可以随温度的改变而改变，当红外焦平面阵列的衬底温度发生变化，热敏电阻的阻值大小也跟随者发生改变，使得温度传感器输出的电压VTEMP发生变化。VTEMP和红外焦平面阵列的衬底温度的呈线性关系：

VTEMP=A×T+B。

其中，T是红外焦平面阵列的衬底温度，A和B是常数系数，由红外成像系统的温度传感器的特性决定。

步骤14：获得与衬底温度对应的当前校正参数。

测量获得衬底温度之后，可根据该衬底温度，从前文所述的存储器中获取红外焦平面阵列的与该衬底温度对应的当前校正参数。

如前文所述，一些实施例中，存储器中存储了多个标定工作温度下的校正参数，并且其中每个标定工作温度下的校正参数是一个小温度区间内红外焦平面阵列的校正参数。因此，在步骤14中，获得了衬底温度后，判断该衬底温度属于哪个小温度区间，然后，以其所属的小温度区间的校正参数作为与该衬底温度相对应的当前校正参数。这里，与衬底温度“相对应”的当前校正参数是指在该衬底温度下红外焦平面阵列的当前校正参数。

例如，这些实施例中，可以通过比较衬底温度和红外成像系统的存储器中存储的各个小温度区间的端点的温度值而确定该衬底温度属于哪个小温度区间。

如前文所述，每个小温度区间的校正参数在步骤10中已经标定和存储，因此，此时，判断处了测量获得的衬底温度属于哪个小温度区间之后，可以直接从存储器中读出其所属的小温度区间的校正参数。

或者，如前文所述，另外的一些实施例中，存储器存储了多个标定工作温度下的校正参数，并且两个标定工作温度之间的其余温度点的校正参数可以使用距离它最近的标定工作温度的校正参数。因此，此时，可以比较衬底温度与步骤10中的至少两个标定工作温度，获得与衬底温度相等或者与衬底温度之间的差值最小的标定工作温度作为对应工作温度；然后在存储器中读取该对应工作温度下的校正参数，以该对应工作温度下的校正参数为当前校正参数。

步骤16：红外成像获得红外图像，并用当前校正参数校正红外图像。

获得了当前衬底温度下的当前校正参数之后，用红外成像系统（或者说用红外焦平面阵列）对目标物体进行正常的红外成像，获得红外图像。用红外成像系统或者红外焦平面阵列对目标物体进行红外成像获得红外图像的具体步骤可以与本领域内常用的步骤相同，在此不再详述。

获得红外图像之后，即可用步骤14中获得的当前校正参数对获得的红外图像进行校正。

例如，一个实施例中，当前校正参数包括当前偏置参数O和当前增益参数G，则可以按照公式V’（i,j）=G（i,j）×V（i,j）+O（i,j）计算校正结果，生成校正后的红外图像。其中V’（i,j）是校正后的红外图像中像素点（i,j）处的电压值, V（i,j）校正前的红外图像中像素点（i,j）处的电压值，G（i,j）是当前增益参数在像素点（i,j）处的值，O（i,j）是当前偏置参数在像素点（i,j）处的值，这里（i,j）是指红外焦平面阵列中的像素点，其中i为小于等于红外焦平面阵列的行数的自然数，j为小于等于红外焦平面阵列的列数的自然数。

这样，本发明的实施例中，在进行正常的红外成像的过程中，可以实时监测红外焦平面阵列的衬底温度，并实时地根据衬底温度从存储器中读取相应的校正参数并对所成的红外图像进行非均匀性校正。

本发明的实施例中的方法可以用任何适合的软件或者硬件实例。例如，一个实施例中，可以用FPGA校正电路实现，FPGA校正电路具有设计简单、容易实现等优点。

例如，将红外焦平面阵列在各个标定工作温度下的校正参数按照红外焦平面阵列的标定工作温度的递增和像元数的递增依次储存在FLASH芯片中。当红外成像系统工作时，红外成像系统的温度传感器采集红外焦平面阵列衬底的温度信息，转换成输出电压，经过A/D转换器件完成数模转换后输入给FPGA，FPGA根据输入的信息选择相对应的校正参数。红外目标物体经过红外成像系统识别，红外成像系统采集和输出相关的信息，输出的信息经过信号加强后送至A/D转换器件，完成数模转换后输入给FPGA,经过校正程序的运行和图像增强后输出，数据经过D/A转换器件，转换成模拟信号后经过放大器输入到终端显示设备。

本发明的实施例中，针对一点校正的时候需要选取辐照度、重新计算校正参数的问题，将红外焦平面阵列在各个标定工作温度下的校正参数储存在系统存储器中，当红外焦平面阵列在工作出现温漂时，从系统存储器中读取与红外焦平面阵列当前工作温度相对应的校正参数，然后利用该读取的校正参数进行来校正补偿温度的漂移。

红外焦平面阵列在进行一点校正的时候需要再次选取辐照度，这样会短暂中断红外成像系统对红外目标的成像，而本发明的方法中由于储存了红外焦平面阵列在各个标定工作温度下的校正参数，当红外焦平面阵列工作时，不需要对红外焦平面阵列进行一点校正，直接从系统存储器中读取与红外焦平面阵列当前工作温度相对应的校正参数，从而保证了红外成像系统实现不间断的对红外目标实时成像。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (6)

1.一种非制冷红外焦平面阵列的非均匀性校正方法，其特征在于，包括：

步骤A：计算红外焦平面阵列在至少两个标定工作温度下的校正参数，并将所述校正参数存储在存储器中；

步骤B：测量所述红外焦平面阵列的衬底温度；

步骤C：根据所述衬底温度，从所述存储器中获取与所述衬底温度相对应的当前校正参数；

步骤D：用所述红外焦平面阵列对目标物体进行红外成像，获取红外图像；

步骤E：用所述当前校正参数对所述红外图像进行校正。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

将红外成像系统放置在恒温箱中；

调节所述恒温箱的温度到第一标定工作温度并保持在所述第一标定工作温度；

用两点校正法计算所述红外成像系统的所述红外焦平面阵列在所述第一标定工作温度下的第一校正参数；

将所述第一校正参数存储在所述存储器中；

调节所述恒温箱的温度到第二标定工作温度并保持在所述第二标定工作温度；

用两点校正法计算所述红外焦平面阵列在所述第二标定工作温度下的第二校正参数；

将所述第二校正参数存储在所述存储器中。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A还包括：

调节所述恒温箱的温度到第三标定工作温度并保持在所述第三标定工作温度；

用两点校正法计算所述红外焦平面阵列在所述第三标定工作温度下的第三校正参数；

将所述第三校正参数存储在所述存储器中。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：

比较所述衬底温度与所述至少两个标定工作温度，获得与所述衬底温度相等或者与所述衬底温度之间的差值最小的标定工作温度作为对应工作温度；

在所述存储器中读取所述对应工作温度下的校正参数，以所述对应工作温度下的校正参数为所述当前校正参数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：

比较所述衬底温度与所述至少两个标定工作温度所属的小温度区间，判断所述衬底温度所属的小温度区间；

以所述衬底温度所属的小温度区间的校正参数为所述当前校正参数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正参数包括偏置参数和/或增益参数。

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