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红外图像实时非均匀性校正技术分析与硬件实现.pdf

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硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现1绪论1.,引言1672年,人们发现太阳光白光是由各种颜色的光复合而成,同时,牛顿做出了单色光在性质上比白光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等单色光。1800年,英国物理学家威廉·赫谢尔川从热的观点来研究各种色光时发现了红外线。红外线也称为红外辐射线,简称红外辐射。红外线是一种电磁波[21,它在电磁波连续频谱中的位置处于无线电波与可见光之间的区域,具有与无线电波及可见光一样的本质。同时红外线又有其自身的特点1人眼对红外线不敏感,必须用红外探测器才能接收到2红外线的热效应比可见光要强得多3红外线更容易被物质吸收,但是对于薄雾来说,长波红外线更容易通过。 红外线的波长在0.76一1000um之间,按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类见表1.1.1。表1.1.1红外辐射波段名称波长范围/四简称近红外0.76ee3NIR中红外36MIR远红外615FIR极远红外151000XIR红外辐射是自然界中存在的一种最为广泛的电磁辐射。理论分析表明任何温度高于绝对零度的物体都会因自身分子和原子的无规则运动而辐射出红外能量,分子和原子的运动越剧烈,辐射的能量越大,反之,辐射的能量越小[3]. 红外辐射具有两个重要特征1目标发射出的红外辐射,要在大气中传播相当长的距离才能到达探测器,在大气中传播时会受到大气衰减主要是大气的吸收、散射,以及云雾、雨、雪等其它微粒的散射。试验表明,能顺利通过大气的红外辐射主要有三个范围,即12.5阿、35阿、814脚,通常把这三个波段范围称为大气窗口如图1.1.1所示。利用这三个窗口,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况[’].正是利用这个特点,红外热成像技术在军事上提供了先进的夜视装备,并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现,生口一自目1叹..世魂心卜U..曰二‘翻01刃p心呱呢从防侧洲明图1.1.1大气透过窗口2物体热辐射能量的大小直接和物体表面的温度有关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触红外温度测量和热状态分析[5J。,.2红外热成像技术的国内外发展现状红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃,对研究、利用和发展红外技术开辟了一条全新的广阔道路.用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标,具有隐蔽性好、抗干扰、能识别伪装、获取的信息丰富等优点。因此,红外热成像技术在战略预替、战术报普、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学和科学研究等军事和民用的各个领域得到广泛应用,各国都投入大量的人力物力竞相开展这一领域的研究工作.在第二次世界大战中,德国人用红外变像管作为光电转换器件,研制出了主动式夜视仪和红外通信设备,为红外技术的发展奠定了基础[6j.二次世界大战后,首先由美国德克萨斯仪器公司经过近一年的探索,开发研制出第一代用于军事领域的红外成像装置,称之为红外前视系统凡IR。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射进行扫描,由光子探测器接收两维红外辐射图像,经光电转换及一系列仪器处理,形成视频图像信号。这种系统原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录仪,后来随着五十年代锑化锢和锗掺汞光子探测器的发展,才开始出现高速扫描及实时显示热图像系统。六十年代早期,瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置,它是在红外前视系统的基础上增加了测温功能,称之为红外热像仪[7]。开始由于保密的原因,在发达的国家中也仅限于军用,投入应用的热成像装置可以在黑夜或浓厚的烟、云、雾中探测对方伪装和高速运动的目标.该研究投入的研制开发费用很大,仪器的成本也很高.硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现以后考虑到在工业生产发展中的实用性,结合工业红外探测的特点,采取压缩仪器造价、减小扫描速度来提高图像分辨率等措施逐渐降低成本以适应民用的要求.六十年代中期,AGA公司研制出第一套工业用的实时成像系统,该系统由液氮致冷,110v电源电压供电,重约35公斤,因此使用中便携性能差;经过对仪器的几代改进,1986年研制的红外热成像系统已无需液氮或高压气,而以热电方式致冷,可用电池供电;1988年推出的全功能热像仪,将温度的测量、修改、分析、图像采集及数据存储集于一体,重量小于7公斤,仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。九十年代中期,美国FSI公司首先研制成功由军用技术转民用并商品化的新一代红外热像仪属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置[B].该装置技术功能更加先进,现场测温时只需对准目标摄取图像,并将上述信息存储到机内的PC卡上,即可完成全部操作.各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析,最后直接得出检测报告。由于技术的改进和结构的改变,因而取代了复杂的机械扫描,仪器重量己小于二公斤,使用中如同手持摄像机一样,单手即可方便地操作。跨入二十一世纪以来,红外热成像技术的发展己经历了三十多个年头,其发展已从当初的机械扫描结构发展到了目前的小型化全电子自扫描凝视成像川。如今,红外热成像系统己经在国防、电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用,在世界经济的发展中正发挥着举足轻重的作用。国内对红外成像技术的研究起步于七十年代到八十年代初,中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定的进展;到了八十年代末和九十年代初,中国己经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到了较高的水平侧进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器、微型致冷器等关键技术方面有了很大的进步,并且从实验走向应用,主要用途是用于部队,例如便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。中国在红外热成像技术方面,已经投入了大量人力物力,形成了相当规模的研发力量。近ro年来,中国在红外成像技术方面有加速发展突飞猛进之势,与欧美的差距已逐渐缩短,但是总的来讲,与世界先进水平差距仍然很大,与西方相比,约差10年左右。.3红外热成像技术概述红外热成像技术tll〕就是把不可见的红外热辐射转换为可见光的波长转换技术。它利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节,将红外图像转化为可见图像。利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。热像仪的结构原理见图1.3.1。硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现2红外图像的特征、非均匀性的概念及产生原因2.,红外图像的特征关于红外图像的特征,根据相关理论[ls1,具有以下定性的结论 1红外图像表征景物的温度分布,是灰度图像,没有彩色或阴影,故对人眼而言,分辨率低、分辨潜力差,立体感差。 2由于景物热平衡、光波波长长、传输距离远、大气衰减等原因,造成红外图像空间相关性强、对比度低、视觉效果模糊。 3热成像系统的探测能力和空间分辨率低于可见光CcD阵列,使得红外图像的清晰度低于可见光图像。 4外界环境的随机干扰和热成像系统的不完善,给红外图像带来多种多样的噪声,比如热噪声、散粒噪声、1/f噪声、光子电子涨落噪声等等。这些分布复杂的噪声使得红外图像的信噪比比普通电视图像低。5由于红外探测器各探测单元的响应特性不一致、光机扫描系统缺陷等原因,造成红外图像存在非均匀性,体现为图像的固定图案噪声、串扰、畸变等。6热像仪输出的图像实际上是景物温度的分布图,范围很宽,产生了热像仪信号处理中信号源大动态范围和显示输出小动态范围的矛盾,表现为图像对比度低,灰度层次差。2.2红外图像非均匀性的基本概念一红外图像非均匀性的定义 理想情况下,红外焦平面阵列受均匀辐射时,输出幅度应完全一样,而实际上,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、工艺条件等影响,使得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Nonuniity,Nu[,.1. 从噪声的角度来看[l7],红外焦平面阵列的噪声等于瞬态噪声和空间噪声的总和。瞬态噪声是光子噪声、暗电流噪声及读出电路噪声共同作用的结果,而空间噪声是由红外焦平面阵列的非均匀性造成的,所以有时也称为固有空间噪声originalspatia1Noise.瞬态噪声可以通过多次测量求平均来消除,而固有空间噪声则不能通过该方法消除,必须通过非均匀性校正才能减小.一般制作探测器的材料不同,其非均匀性严重程度也有所不同。对于均匀性做得较好的低量子效率材料红外焦平面阵列,如肖特基势垒Ptsi焦平面阵列的非均匀性可做到小于1,而量子效率高的化合7硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现物半导体材料,如HgCdTe和Insb,其焦平面阵列非均匀性可能远远超过1既。也就是说,探测器材料的量子效率越高,则用其制作出来的红外焦平面阵列的非均匀性就越大。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,越是大面阵器件,非均匀性问题就越突出。 理论研究和实际应用都需要对红外图像的非均匀性做出准确的定义并采用合适的度量方法来反映它.实际上采用红外探测器阵列元响应非一致性更能够贴切地反映本文所讨论问题的本质。但是直接从响应非一致性的角度出发对非均匀性作出定义存在一定的困难,这主要是由于红外探测器的实测输出是光学系统、红外敏感元件、读出机构半导体特性以及放大电路等各种因素综合的结果,很难从中找出哪一部分是由于阵列元响应非一致性的影响造成的。对于固体图像传感器包括红外焦平面阵列的非均匀性,不同的定义侧重点不同,都只能反映某一方面的特性或比较适合系统的某些指标要求。所以,到目前为止,对非均匀性还没有统一的定义和度量方法。 下面介绍几种非均匀性NU的常用定义。第一种定义在均匀辐射下,焦平面阵列像元中视频输出最大值与最小值之差与之和的百分比。Nu士兰些二丛座、10004 气二气.2.2.1第二种定义在均匀辐射下,焦平面阵列像元中最大视频输出值与最小视频输出值之差与所有像元视频输出平均值的百分比.万UVo.一凡. 猛x1002.2.2第三种定义在均匀辐射下,焦平面阵列像元视频输出值的均方根偏差与视频输出平均值的百分比。Nu习匕 呱 lMxN一dh艺2K,一低,‘100J娜1,.t2.2.3式中编二而场雨 式2.2.3是1999年中华人民共和国国家标准“红外焦平面阵列特性参数测试技术规范”中关于非均匀性NU的定义。以上三式的定义中,气,为焦平面上第1行第j列所对应像元的视频输出信号;气.为视频输出最大值;气.为视频输出最小值;8硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现K.弓为焦平面上所有有效像元的视频信号平均值在计算视频信号之和以及非均匀性时,均不包括无效像元的信号值;M和N分别为焦平面阵列的行数和列数d为焦平面阵列中的死像元数;h为焦平面阵列中的过热像元数.一般情况下,把在饱和视频信号幅度值一半时所测得的非均匀性大小作为评价和比较器件性能的标准参数。在上面所讨论的非均匀性定义中,不包括焦平面阵列中的无效像元包括死像元和过热像元,其中死像元定义为响应率小于平均响应率1/10的像元,过热像元定义为噪声电压大于焦平面平均噪声电压10倍的像元。无效像元应按盲元补偿的方法进行修正,因此,下面的非均匀性校正中均不包括无效像元的校正。表2.2.1是根据公式2.2.3计算出的10’C一100’C黑体的非均匀性值.表2.2.1黑体非均匀性随温度的变化黑体温度‘C非均匀性阴l04.3583204.3469304.3166404.2731504.2404604.2012704.1544804.1029904.0534loo3.9630根据表2.2.1的数据我们可以得到黑体的非均匀性随温度的变化曲线如图2.2.1所示。扭体非均匀性臼沮度的变化舀Jn之月.444岁州习翁带,线oo艇406050皿体谧度℃图2.2.1黑体的非均匀性随温度的变化硕士论文红外图像实时非均匀性校正技术研究及硬件实现从图2.2.1我们发现,对于同一黑体,随着温度的升高,其非均匀性越来越小。当然,这一点是不是具有普遍性,还有待更多的实验验证。二红外图像非均匀性的特点 经过总结,红外图像的非均匀性具有以下特点1一定时期内,图像的非均匀性主要表现为固有图像空间噪声,总体属于低频空间噪声,并含有少数非均匀性突出的探测单元。2红外成像系统在使用时都需要经过非均匀性校正,校正后非均匀性可大大改善,但仍然存在不可忽略的校正残差,它是红外成像系统自身空间噪声的主要来源.3红外图像的非均匀性校正残差与校正方法有关,也与工作环境温度和背景辐射特性有关。4由于器件工作条件和自身性能的变化,器件的非均匀性会随着使用时间的累加而更加严重,因此,红外成像系统在使用时需要定期进行非均匀性校正。2.3红外图像非均匀性产生的原因红外热成像系统非均匀性产生的原因叫十分复杂,目前人们对于它的来源已经认识得比较清楚,但对其数学描述却大部分局限于经验公式,还不能完整地建立红外热成像非均匀性产生的数学模型和计算理论。具体地分析,从红外热像信号传递过程来看,导致非均匀性的因素,首先是探测器探测元的响应率或光谱响应率的不一致性红外焦平面阵列由成千上万个探测元组成,由于各个探测元的响应参数响应率因子、截距因子不尽相同,造成即使在红外焦平面阵列的输入为均匀时,各个探测元之间的输出电压也不相同,这是导致红外焦平面阵列非均匀性的主要因素;其次是读出电路自身以及读出电路和探测器的祸合因素等。在这些非均匀因素中,有些仅与探测器自身性能相关,其中线性的因素比较容易测定和校正,而对于其中与目标红外辐射、器件工作条件等相关的非均匀因素则很难进行控制。具体分析产生红外图像非均匀性的原因〔18]tlg],大致可分为如下几点 1红外焦平面阵列中各探测元的响应特性不一致。响应的不一致是由制造过程中的随机性引起的,如红外焦平面阵列各探测元有效感应面积的不同以及半导体掺杂浓度的变化等原因,使得光电转换特性曲线不一致和暗噪声不均匀等,其表现为固定乘性噪声和加性噪声,当红外焦平面阵列具有较高的稳定性时,这种非均匀性在焦平面上的模式是固定的。2红外光学系统的影响。如镜头的加工精度,镜头的孔径等因素的影响,它表现为固定的乘性噪声,当孔径的中轴和光轴重合时,表现为中间亮四周暗。3红外焦平面阵列外界输入的影响.如探测器的偏置电压、偏置电流的不同,l0
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