红外焦平面器件二点多段非均匀性校正算法研究

引言

红外焦平面器件是各种成像光谱仪、热像仪、红外相机等仪器中的核心部件.在红外搜索、红外跟踪等军事系统中以及灾害监测、资源调查等民用领域均有广泛的应用.但是由于探测器各像元响应度的不均匀性,使得红外系统的成像质量较差,直接影响到探测器的最小可分辨温度.

红外焦平面器件的响应非均匀性问题不同于一般的图像噪声,一般的图像噪声是瞬态随机噪声,可以通过帧/场处理的方法来消除.探测器的非均匀性是一种固定图形噪声(Fixed Pattern Noise).它是由于探测器的加工工艺、材料、温度和偏置情况的不均匀性所造成的.例如碲镉汞(Hg1-xCdxTe)红外焦平面探测器由于半导体的禁带宽度Eg受组份x和温度T的影响而导致截止波长λc的不均匀.因为截止波长λc=1.24/Eg(eV),而半导体的禁带宽度Eg与组份x和温度T的关系可以由下面的经验公式进行描述[1]:

当0.23≤x≤0.60,100<T<300K时:Eg(x,T)(eV) =-0.303+1.73x+5.6×10-4(1-2x)T+0.25x3, (1)

当0.17≤x≤0.60,20<T<300K时:Eg(x,T)(eV) =-0.25+1.59x+5.23×10-4(1-2.08x)T+0.327x3. (2)

以上从材料组份和温度方面分析了红外焦平面探测器响应非均匀性产生的原因,实际上还有很多其他方面的原因.图1反映了一个256元线列红外碲镉汞焦平面器件典型的响应不均匀性状况.为了改善成像质量,提高最小温度分辨率,目前几乎所有的红外系统都要进行非均匀性校正的工作,至于软件校正还是硬件校正,只是实现的方法不一样,其核心都是要选择合适的算法.本文首先分析传统的非均匀性校正算法,然后提出二点多段线性校正算法,并分析校正的效果.

1　传统非均匀性校正理论

分析红外探测器的非均匀性产生原因对于建立校正算法模型是很重要的.由于工艺、温度、压力等各种原因,探测器光敏元的响应V和红外辐射量Φ呈现为复杂的非线性关系.另外我们所观察到的红外图像的非均匀性还包含了红外仪器的光学系统所引进的非均匀性,也就是说红外图像在传递过程中有许多非均匀性的因素发生了相互耦合,并以综合形态表现出来.

根据应用系统的要求和软硬件条件,目前常见的非均匀性校正算法有点校正和自适应校正二大类.

点校正包含一点校正、二点校正、多点校正[2~5]3种;自适应校正主要有基于场景的校正法、神经网络算法、连续时间校正[6~8]3种.

1.1　一点校正法

一点校正法是最早的非均匀性校正算法.针对增益系数不均匀和偏置不均匀二种情况,一点校正校正法也可分为2种.增益系数不均匀的校正:选取辐照度φ1为定标点,对探测器所有N个像元的响应值Vi求平均式(4),将探测器各像元的响应Vi校正为其平均响应(也就是所谓的理想响应)Vs.根据假设,能够求得校正因子(式5)