一种基于控温黑体的红外实时校正技术

朱 辉，张 勇，陈志学，董期林，刘万刚，罗蓓蓓

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

红外探测器由于受到材料和工艺水平的限制，存在非均匀性问题。红外探测器非均匀性是指探测器各单元在均匀辐射输入时各单元输出的不一致性，又称为固有空间噪声［1-2］。这种噪声会严重影响成像系统的成像质量，进而影响光电系统的总体性能，必须进行红外非均匀性校正（NUC）。基于黑体参考源的定点两点温度校正法或者定点多点校正法是非均匀性校正中最直接、最基本的技术，在红外成像系统中得到广泛的应用。在已研制生产的288行×4列二代扫描型热像仪产品中，采用定点两点温度校正法进行校正。由于探测器的输出非线性以及输出特性本身会随着时间和使用环境的变化而产生变化，定点校正无法适应这种时间性的变化，已标定的校正数据不适应新的输出特性，需要重新校正。这样，成像系统要根据环境的变化进行频繁的校正操作，显然不能满足军事应用产品对环境的适应性要求和实时性要求。本文提出一种改进方案，用于解决定点校正存在的缺陷。输出响应曲线在一定误差范围内，可以认为是一致的。计算获得的两组修正系数会被记录在热像仪当中，在热像仪工作的时候，调入校正系数修正探测器的输出。

两点校正是在一定温度范围内采用线性模型近似，由于探测器输出的非线性，当入射背景温度远离校正区域时，校正误差就超出了噪声限如图1（c），图像上就会出现非均匀性的空间噪声。

图1 基于线性模型的两点校正方法Fig.1 Fixed two-point correction method based on linear model

1 常规的校正方法

两点温度或者多点温度校正方法都是基于红外探测器线性输出模型的算法。探测器的电压输出会随着入射光辐照度的增加而增大，而这种比例关系是非线性的。线性模型是假定在一定范围内，探测器的输出可以近似用直线方程表示：

式中；是入射到探测器的光通量；Yi是探测器对应的输出电压；斜率Ki是增益常数；截距Bi是偏移常数；i表示第i个探测元。对于n元探测器就对应有n条响应曲线。要实现探测器输出响应的一致性即实现非均匀性校正，必须通过2个温度参考源来实现标定，如图1（a）所示。

在实验室里通过控温黑体设定2个标定温度点，这2个温度点通常覆盖热像仪应用的温度段的两端，一个低温黑体设置在0°～10°，一个设置在40°～50°，设定2个温度的黑体对应的辐照度是

（m）和 （n）。以任意两个探测元（i，j）为例，以探测器j的输出作为归一化基准，探测器i的校正过程如下：

先根据标定温度点对应的2个探测元的输出电压Y（m）i，Y（n）i，Y（m）j，Y（n）j计算增益 K 的修正系数，使2个探测元的输出增益一致，如图1（b）。这个过程称为响应率校正：

响应率校正后，还存在偏移误差。可以设置一个中间温度点 （c）计算偏移B的修正系数，如图如图1（c），这个过程称为钳位校正。 （c）的温度点可以设置为 （m）， （n），也可以设置在 （m）和 （n）之间一个平均辐照度对应的温度点上。经过钳位校正后，在 （m）和 （n）之间，2个探测器的

为了全动态范围内有效地进行非均匀校正，基于多点校正的改进模型如图2所示。多点校正虽然在一定程度上可以解决非线性的问题，但是还是存在缺陷。首先，由于对探测器输出的不可预知性，使得在温度点的设置存在不确定性。在实际应用中，通常根据经验设置几个固定的温度点，而这些温度点的设置是为了拟合探测器响应的输出曲线。实际每个探测器单元的输出斜率K的变化在设定的温度段也是不一样的，这种拟合误差会很大。即使在实验室里获得较好的拟合效果，但是探测器的输出特性本身会随着时间和使用环境的变化而产生变化，在实际应用中，这种定点多点校正无法适应时间性的变化，已标定的校正系数不适应新的输出特性，需要重新校正，这显然不能满足实时应用的要求。

图2 基于线性模型的多点校正方法Fig.2 Multi-point correction method based on linear model

2 采用温控参考源实时校正的方法

采用温控参考源实时校正是通过在探测器的成像光路里设置2个黑体温控源，结合闭环温度控制手段，控制2个黑体的温度始终覆盖探测器入射场景的温度范围。2个温度点的设置采用一个高温黑体，一个低温黑体，温度值分布在场景平均温度的两端。由于黑体设置在探测器的成像光路中，探测器可以实时采样到标定黑体的输出，而且黑体的输出是实时跟随场景的变化。在进行两点温度校正时，采用线性模型计算的参数也在实时变化，始终使校正误差控制在噪声限以内，从而使图像输出能够适应不同温度场景输入，如图3所示。这种方法解决了线性模型与探测器非线性输出的适应性问题。而且，相对于多点校正而言，始终跟随探测器的实际输出区间进行校正，校正算法上不需要考虑温度区间的设定问题。由于是实时计算标定系数，也能适应探测器输出时间性的变化特性，环境适应性优于采用定标校正的热成像系统。

图3 基于控温黑体的实时校正方法Fig.3 Real time correction method based on temperature control blackbody

本技术方案的具体实施针对二代扫描型热像仪，由于扫描型热像仪的成像特点，它在成像时，采用一维扫描方式，在水平扫描成像行程内可以设置2个参考黑体源，位于扫描视场的两端，如图4所示。

图4 扫描型热像仪黑体设置方案Fig.4 Program setting of blackbody for scanning thermal

在一个20ms成像周期内，探测器完成一次扫描输出，如图5所示。一个扫描周期既可以扫描到入射场景用于正常成像，同时也可以扫描到两端的参考源，用于控温的反馈输入。入射场景对应探测器的输出电压采用加权平均的方法，计算出场景对应的平均电平Vb。在平均电平Vb的基础上加上正负2个偏移量作为2个黑体温控源的输入指令，与黑体的即时温度反馈量输入到校正网络，经过校正输出的误差量最终送到功放驱动黑体控温组件，实现黑体温度跟随场景温度的闭环控制。

图5 校正流程框图Fig.5 Block diagram of correction progress

3 性能分析

3.1 非均匀性噪声的评定

考虑到线阵列水平扫描的特点，非均匀性的空间噪声体现在图像垂直方向的相关性上，在图像上会表现出明显的水平明暗条纹，造成图像垂直方向的相关性降低。所以对同一场景输入分别采用定点校正和实时校正，针对校正输出的图像进行分析，计算垂直相关度来比较非均匀性空间噪声的水平。具体方法：先对探测器每个探测单元校正后的数据进行水平平均，然后对相邻探测器的输出统计值进行梯度运算，对生成的梯度数据进行统计分析，统计值的方差和最大及最小范围可以表征校正后非均匀性噪声的幅值水平。梯度统计值的方差越大，表示校正后探测元的响应差异离散较大，即非均匀性的空间噪声残差较大，反之则越小。

3.2 数据分析

对两幅场景进行校正后的图像采集和比较分析。图6针对透空场景，背景辐射温度较低，图7针对建筑物背景，有较高的背景辐射温度，以检验算法对场景的适应性。

两种校正方法输出的实际结果对比如图6（a）与图6（d），图7（a）与图7（d）所示。采用常规的定点校正算法对探测器进行标定后输出图像，当热像仪工作一段时间后或场景变化后，会出现明显的水平非均匀性的图像噪声。这就是由于探测器的输出非线性以及输出特性本身会随着时间和使用环境的变化而产生变化的特点而产生的。定点校正无法适应这种时间性的变化，已标定的校正数据不适应新的输出特性，需要重新校正。重新校正或者调整校正参数都会受到环境条件和实时性的约束，最终无法输出最优的校正结果。而采用实时控温的黑体提供校正基准，使得校正结果输出始终控制在最优的噪声水平。

图6 相同透空场景两种校正方法的输出结果Fig.6 Results of two correction methods to same air scenario

图7 相同建筑物场景两种校正方法的输出结果Fig.7 Results of two correction methods to same building scenario

表1和表2分别给出了针对图6，图7两个场景校正后的图像数据表。根据图像的分析和梯度统计数据表可以看出采用实时校正后的图像的非均匀性噪声在两种场景下都明显下降，不受时间的影响，在不同的场景下提升的水平不同。非均匀性空间噪声的大小由图像垂直梯度统计的标准方差来表征，定点校正标准方差约为4.0，实时校正的标准差为1.5～2，非均匀性空间噪声降低50%～60%。

表1 相同透空场景两种校正方法的数据分析对比Table 1 Data contrast of two correction methods to same air scenario

表2 相同建筑物场景两种校正方法的数据分析对比Table 2 Data contrast of two correction methods to same building scenario

4 结论

本文通过在成像光路中设置2个可控温的黑体用于红外探测器的实时校正，保证在不同时刻以及不同应用环境下，黑体的温度始终实时地跟随场景温度，校正系数实时更新，使非均匀性校正的输出误差有效降低。通过实际的场景进行对比试验，输出图像的统计计算结果表明：采用定点校正，非均匀性空间噪声的大小约为4.0，而采用实时校正方法，噪声的大小不大于2，实时校正方法使得非均匀性噪声有效降低50%。该方案已经实际应用于某型号项目的红外热像仪，取得了很好的效果，整机性能获得显著提高。

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