红外焦平面阵列非均匀性实时校正研究

　　0　引言

　　在理想情况下,红外焦平面阵列受到均匀黑体辐射时,其输出响应幅度应该均匀一致。而实际上,由于受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)、掩模误差、缺陷、工艺条件等的影响,其输出幅度并不相同,这就是所谓的红外焦平面阵列响应的非均匀性[1]。对于单点扫描方式来说不存在非均匀性问题,线阵扫描方式中的非均匀性存在于线阵方向,而焦平面阵列的非均匀性存在于整个焦平面上。愈是大面阵器件,非均匀性问题就愈突出。由于红外焦平面阵列成像是红外成像技术发展的主要方向,其代替第一代红外光机扫描成像系统已是大势所趋,但红外焦平面阵列固有的非均匀性严重影响了红外成像系统的成像质量,因此红外焦平面阵列在使用前必须进行非均匀性校正,希望通过非均匀性校正来提高红外焦平面阵列均匀性。而在红外焦平面阵列的非均匀性校正过程中所涉及的数据量大,算法复杂,这就要求图像处理系统必须具有强大的运算处理功能。TMS320DM642 DSP是TI公司TMS320家族中最新器件之一,其运行速度高达1 600MIPS,因此可以很好地应用在实时红外图像处理系统中。在众多的红外焦平面阵列的非均匀性校正算法中,只有线性校正方法理论较成熟,在实际中获得了应用。本文以校正精度较高的多点校正为例来阐述利用DSP硬件进行红外焦平面阵列的实时非均匀性校正过程。

　　1　校正方法的实现原理

　　红外焦平面阵列非均匀性校正方法可以分为标定校正和自适应校正。通常使用的两点校正方法和多点校正方法属于标定校正,其中两点校正方法是建立在红外焦平面阵列元响应是线性定常的假设下,其线性响应模型为

　　这种假设是理想化的,实际情况并非如此。对于非均匀性较大或离标定点较远的部分,经两点校正后残留的非均匀性大,校正的效果差。同时,该方法校正后的动态范围小,当辐照度变化较大时,会引入较大的误差。因此,两点校正方法适用于像元响应线性好或非均匀性小、工作范围较窄的器件。为了提高校正精度,可采用多点校正方法来降低非线性带来的误差,并且标定点愈多,校正精度愈高。图1为四点校正的响应曲线。图中R为阵列元的响应输出,为均匀辐射通量。

　　2　多点校正方法的实现原理

　　多点校正法可以通过分段线性校正来实现。在每个标定区间内,方法如同两点校正方法,将各个像元的非线性响应当作线性响应来处理,通过平移和旋转来校正为一致,从而把多个像元的非线性响应校正为一致。多点校正的通用公式推导过程如下:在光路中插入均匀辐射的黑体,根据红外焦平面阵列探测单元的线性响应模型可得到每个像元在k个不同温T1, T2,…, Tk的黑体辐射下的响应输出数学表达式: