一種紅外焦平面陣列非均勻性校正的新方法

1、SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSVol.29No.2Apr.2008光電技術(shù)應(yīng)用一種紅外焦平面陣列非均勻性校正的新方法代少升,張?zhí)祢U(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,重慶400065)摘要:為了解決紅外焦平面陣列非均勻性實(shí)時(shí)校正難題,提出了一種利用存儲(chǔ)器的函數(shù)變換功能來對(duì)紅外焦平面陣列非均勻性進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮校正的新方法。詳細(xì)闡述了存儲(chǔ)器壓縮校正的原理和實(shí)現(xiàn)過程,并給出硬件實(shí)現(xiàn)框圖,最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明該校正方法電路簡單、校正效果理想、容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正。關(guān)鍵詞:紅外焦平面陣列;非均勻性;存儲(chǔ)器壓縮校正中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-5868(

2、2008)02-0276-03ANewMethodofRealizingIRFPADAIShao2sheng,Gqi(CollegeofConnnunicationIChongqingUniversityof400065,CHN)Abstract:Topinfraredfocalplanearray(IRFPA)real2timeacompressingcorrectionmethodispresentedwhichutilizesftransform.Thememorycompressingcorrectionprincipleandapproachesareexpoundedindetai

3、l.Thehardwarecircuitdiagramisgivenout.Theexperimentalresultsprovethatthemethodhassimplecircuitandsatisfyingimageanditeasilyrealizesreal2timecorrection.Keywords:IRFPA;nonuniformity;memorycompressingcorrectionmethod1引言由于制造和環(huán)境的影響,紅外焦平面陣列各陣列元之間普遍存在響應(yīng)的非均勻性1。非均勻性導(dǎo)致了紅外焦平面陣列的溫度分辨率等性能顯著下降,使其難以滿足紅外成像系統(tǒng)的使用要求,因

4、而工程中使用的紅外焦平面陣列幾乎毫無例外地都采用非均勻性校正技術(shù),希望通過非均勻性校正,改善紅外焦平面陣列的探測(cè)能力,提高紅外成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量2。在傳統(tǒng)的硬件校正方法中,有的電路復(fù)雜,調(diào)試?yán)щy;有的校正速度慢,難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正。本文提出一種電路簡單、校正速度較快的存儲(chǔ)器壓縮校正新方法。該校正方法實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉。收稿日期:2007-06-21.基金項(xiàng)目:重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目.2762存儲(chǔ)器壓縮校正的原理存儲(chǔ)器壓縮校正方法是利用存儲(chǔ)器的函數(shù)變換功能,對(duì)圖像傳感器的不均勻性響應(yīng)進(jìn)行校正存儲(chǔ),然后,將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)作為存儲(chǔ)器的一部分地址輸入,并直接從存儲(chǔ)器輸出端獲得校正后

5、的數(shù)據(jù)。在闡述存儲(chǔ)器壓縮校正方法之前,首先介紹一下存儲(chǔ)器校正方法:存儲(chǔ)器的基本應(yīng)用是數(shù)據(jù)存儲(chǔ),它的輸入量是地址A,輸出量是與地址A對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)D。如果數(shù)據(jù)D在寫入存儲(chǔ)器時(shí)按照D=f(A)的函數(shù)關(guān)系,就使數(shù)據(jù)D與地址A之間具有D=f(A)的函數(shù)變換功能3。對(duì)圖像傳感器的不均勻性數(shù)據(jù)進(jìn)行校正存儲(chǔ),再把A/D轉(zhuǎn)換后的視頻數(shù)據(jù)作為存儲(chǔ)器的一部分地址輸入,直接從存儲(chǔ)器輸出端便可獲得校正后的數(shù)據(jù)。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 半導(dǎo)體光電2008年4月

6、第29卷第2期代少升等:一種紅外焦平面陣列非均勻性校正的新方法這種校正方法稱為存儲(chǔ)器校正法。隨著A/D采樣分辨率的提高和紅外焦平面陣列像元數(shù)的增加,對(duì)EEPROM存儲(chǔ)空間的要求也越來越大4。假如采用的紅外焦平面陣列的像元數(shù)為128×128,在不考慮無效像元的情況下,則需校正的像元數(shù)為128×128=214=16Kbyte,需要用到14位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器,如果我們選用10bitA/D,則EEPROM至少需要的存儲(chǔ)空間為:214×210×10=20MByte,所需存儲(chǔ)器空間較大。當(dāng)用于凝聚型、大面陣紅外焦平面陣列非均勻性校正時(shí),所需EEPROM空間更大,成本也會(huì)

7、更高。因此有必要對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮。下面闡述一下存儲(chǔ)器壓縮校正的思想:(1)首先合并相同響應(yīng)曲線。假定紅外焦平面陣列各陣列元的光電響應(yīng)曲線為線性。對(duì)128×128的紅外焦平面陣列各陣列元的光電響應(yīng)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,不難發(fā)現(xiàn)其中存在很多像元的灰度值是相同的,可以將這些灰度值相同的像元進(jìn)行合并,并重新編號(hào)。編號(hào)時(shí)采用飽和時(shí)響應(yīng)最快的像元作為標(biāo)準(zhǔn)曲線的視頻輸出幅值1024(對(duì)于10bitA/),128×128采用兩片EEPROM存放壓縮數(shù)據(jù),各EEPROM存儲(chǔ)量的大小為:(1)EEPROM1的大小。由于采用的A/D轉(zhuǎn)換器為10bit,存儲(chǔ)器寬度要大于或等于10bit,焦平面陣

8、列大小為128×128,因此可選用大小為16K×16bit的EEPROM來存放壓縮表;(2)EEPROM2的大小。由于EEPROM2有高、低端輸入地址構(gòu)成,高端地址寬度由A/D的轉(zhuǎn)換范圍決定,即210,低端地址寬度由合并后的曲線數(shù)決定,即210。因此可選用大小為1M×16bit的EEPROM來存放不同曲線的校正值。圖2給出了存儲(chǔ)器壓縮校正方法原理?？傊?對(duì)響應(yīng)曲線相同的陣列元進(jìn)行合并,并采用兩片EEPROM來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),不僅可以大大減少系統(tǒng)存儲(chǔ)空間,降低整個(gè)成像系統(tǒng)的研制成本,而且可以實(shí)現(xiàn)紅外焦平面陣列非均勻性實(shí)時(shí)校正。數(shù)目由16384編制出像元線表(簡稱壓縮表

9、),用EEPROM1;(2)在合并相同響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行非均勻性校正。由于紅外焦平面陣列的非均勻性主要表現(xiàn)為各陣列元響應(yīng)曲線斜率的不一致。圖1給出了任意兩條不同陣列元的響應(yīng)曲線a和b,s為標(biāo)準(zhǔn)陣列元的響應(yīng)曲線(因?yàn)閍、b可以通過平移達(dá)到圖1所示的位置)。設(shè)在某一輻射通量<1下,a、b、s的響應(yīng)幅度分別為Va、Vb、Vs。將a、b輸出幅度Va、Vb的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果作為尋址,相應(yīng)圖2存儲(chǔ)器壓縮校正原理示意圖3存儲(chǔ)器壓縮校正方法的實(shí)現(xiàn)由校正原理可知,存儲(chǔ)器壓縮校正方法的實(shí)現(xiàn)可分三步進(jìn)行:首先是制作壓縮表,建立像元號(hào)與曲線號(hào)的映射關(guān)系;其次是校正數(shù)據(jù)的形成,包括原始視頻信號(hào)的測(cè)試和非均勻性校正

10、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);最后是非均勻性校正的硬件實(shí)現(xiàn)。3.1壓縮表的制作尋址單元寫入標(biāo)準(zhǔn)曲線s的Vs值,利用存儲(chǔ)器的變換功能就能實(shí)現(xiàn)不均勻性校正。用EEPROM2來存儲(chǔ)校正數(shù)據(jù)。壓縮表的制作過程如下:通過調(diào)整視頻信號(hào)的預(yù)處理電路,使飽和光強(qiáng)下靈敏度最高的標(biāo)準(zhǔn)曲線的視頻信號(hào)幅值為1024,其余像元的幅值都低于或等于1024。用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí),把飽和光強(qiáng)下具有相同響應(yīng)幅值的像元合并成一條曲線。曲線的編號(hào)由具體像元的飽和值決定,例如,飽和值為1024的所有像元編號(hào)為1024,飽和值為1023的所有像元編號(hào)為1023等等。這樣合并后,整個(gè)響應(yīng)曲線的條數(shù)減少到1024條以內(nèi)。用計(jì)算機(jī)編制出壓縮表,并存儲(chǔ)在EEPR

11、OM1中。3.2校正數(shù)據(jù)的形成圖1紅外焦平面陣列元的響應(yīng)曲線在假定陣列元響應(yīng)為線性的條件下,線性響應(yīng)277© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICSVol.29No.2Apr.2008模型可以表示為Vij(<)=Kij<+Bij(1)其中,Kij<為陣列元的響應(yīng)輸出值,<為輻射通量,Kij和Bij為紅外焦平面陣列第i行j列像元的斜率和截距,對(duì)于每一個(gè)像元,Kij和Bij的值在兩個(gè)

12、標(biāo)定點(diǎn)內(nèi)是固定的,并且不隨時(shí)間變化?？梢酝ㄟ^測(cè)試兩個(gè)輻射點(diǎn)的視頻校正輸出,代入線性模型,便可求出其他輻射點(diǎn)的視頻校正輸出。對(duì)于陣列元的非線性響應(yīng),可以采用逐段線性來逼近其非線性響應(yīng)。校正過程會(huì)隨線段的細(xì)分而變得復(fù)雜。理論分析表明,當(dāng)輻射通量的變化,使像元的輸出變化小到只有一個(gè)單位時(shí),所獲得的非均勻性校正精度最高。校正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM2中。3.3非均勻性校正的硬件實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器壓縮校正方法的硬件電路由視頻信號(hào)預(yù)處理電路、可編程邏輯器件、高速A/D、EEPROM1、EEPROM2及圖像顯示設(shè)備構(gòu)成。硬件電路框圖如圖3所示。下面根據(jù)圖3中的電路框圖,平面陣列非均勻性實(shí)時(shí)校正過程:列的啟動(dòng)信號(hào)到來后

13、,信號(hào)進(jìn)行計(jì)A/集,計(jì)數(shù)結(jié)果作為EEPROM1,從EEPROM1尋址出來的數(shù)據(jù)作為EEPROM2的高端地址,A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)作為EEPROM2的低端地址,由高低端地址共同尋址出EEPROM2中的數(shù)據(jù)作為非均勻性校正結(jié)果。在可編程邏輯器件的控制下,校正結(jié)果依次送入顯示設(shè)備進(jìn)行數(shù)字圖像的顯示。正前后同一幅圖像數(shù)據(jù)生成的三維圖形。從圖中可以看到:校正后圖像的均勻性得到明顯提高。實(shí)驗(yàn)表明,存儲(chǔ)器壓縮校正方法實(shí)現(xiàn)簡單,電路調(diào)試方便,校正速度快,殘余非均勻性小(小于1.3%),適合實(shí)時(shí)校正。參考文獻(xiàn):1代少升,袁祥輝.紅外圖像非均勻性實(shí)時(shí)校正的新技術(shù)J.光學(xué)精密工程,2004,12(2):2012204.2陳銳,談新權(quán).紅外圖像非均勻性校正方法綜述J.紅外技術(shù),2002,24(1):123.3袁祥輝.固體圖像傳感器及其應(yīng)用M.重慶:重慶大學(xué)出版社,1996.4李兵,袁祥輝,潘銀松.一種新的紅外焦平面陣列非均勻性實(shí)時(shí)校正方法研究J.紅外與毫米波學(xué)報(bào),2000,19(6):4752477.5田志剛,呂俊杰.基于FIFO存儲(chǔ)器的高速顯微圖像處圖3非均勻性校正的硬件電路框圖理系統(tǒng)J.光學(xué)精密工程,1999,2(