紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)仿真

1、第37卷第5期紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)仿真高思莉，于洋，湯心溢(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)摘要：通過對紅外焦平面陣列非均勻性產(chǎn)生原因的分析和總結(jié)，考慮了紅外焦平面陣列各探測元間的空間相關(guān)性，在空間無關(guān)的紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)模型的基礎(chǔ)上，建立了基于空間相關(guān)性的紅外焦平面陣列響應(yīng)模型。用以線性響應(yīng)模型為基礎(chǔ)的非均勻性兩點(diǎn)校正法對仿真結(jié)果進(jìn)行了初步驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明：校正以后非均勻性明顯下降，但仍剩余的非均勻性與紅外焦平面陣列的理想化響應(yīng)模型以及基于各探測元間是互相獨(dú)立不相關(guān)假設(shè)下的非線性響應(yīng)模型相比，基于空間相關(guān)性的紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)模型更為科學(xué)、客觀，也更接近真實(shí)

2、的紅外焦平面探測器成像。關(guān)鍵詞：非線性響應(yīng)；中圖分類號：TN215紅外焦平面陣列；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A空間相關(guān)性文章編號：1007-2276(2008)05-0770-03SimulationofnonlinearresponseofIRFPAGAOSi螄li,YUYang,TANGXin螄yi(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences，Shanghai200083,China)Abstract:Byanalyzingandsummarizingthefactorscausingthenonuniformityininf

3、raredfocalKeywords:Nonlinearresponse;Infraredfocalplanearrays;Spatial螄correlation0引言紅外焦平面器件的光敏區(qū)由很多的單元紅外探測器排列組成，其輸出的圖像信號的不同單元對應(yīng)紅外探測器不同的單元。由于制作材料的缺陷、摻雜的非均勻性以及生產(chǎn)工藝過程控制的不穩(wěn)定等，造成了紅外焦平面陣列響應(yīng)的非均勻性問題。收稿日期：2008-03-31；修訂日期：2008-04-10紅外焦平面陣列非均勻性的產(chǎn)生原因十分復(fù)雜。目前，對非均勻性的數(shù)學(xué)描述大都局限于經(jīng)驗(yàn)公式，主要是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合1-2。這樣的方法具有很大的局限性，不同的探測

4、器擬合出來的曲線不同；同一探測器在不同時(shí)間測試的數(shù)據(jù)、擬合的曲線也有差異。紅外焦平面陣列各單元間的響應(yīng)非均勻性嚴(yán)重基金項(xiàng)目：國防預(yù)研資助項(xiàng)目（41101050101）作者簡介：高思莉（1978-），女，河南新鄉(xiāng)人，助理研究員，博士，主要從事紅外成像系統(tǒng)仿真和測試方面的研究工作。第5期高思莉等：紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)仿真771影響著其背景限性能的發(fā)揮,這種非均勻性帶來的空間噪聲在紅外焦平面陣列對熱對比度較低的背景成像和對微弱目標(biāo)探測時(shí)尤為突出。目前，非均勻性校正中通行的定標(biāo)法和自適應(yīng)法都是基于探測器的線性響應(yīng)模型。理論上,如果各探測元的響應(yīng)是線性的而且在時(shí)間上是穩(wěn)定的,那么其非均勻性用黑體定標(biāo)

5、的方法即可完全校正。實(shí)際上，探測器的非線性響應(yīng)將必然造成現(xiàn)有以線性響應(yīng)模型為基礎(chǔ)的非均勻性校正算法的系統(tǒng)性誤差。目前，對探測器響應(yīng)模型的建立，大多基于各光敏元間相互獨(dú)立、不相關(guān)的假設(shè)，忽略了各光敏元間的空間相關(guān)性。針對這個問題，通過查閱國內(nèi)外資料，并結(jié)合工作實(shí)踐，建立了基于空間相關(guān)性的探測器響應(yīng)模型。模型4是基于系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特征建立的。模型如下：Vi,j()=(1+ai,j)·+bi,j+fi,j()(3)式中：Vi,j()是焦平面陣列上第(i,j)個光敏元的響應(yīng)，是光通量的函數(shù)；ai,j和bi,j代表探測器響應(yīng)的線性部分；fi,j()代表探測器響應(yīng)的非線性部分，fi,j()=ei,&

6、#183;j。在E.Gurevich和A.Fein提出的模型中，認(rèn)為ai,j，bi,j和fi,j()是均值為0，對任何值都是在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，ei,j是均值為0，方差為e的正態(tài)分布5。該模型是在忽略各光敏元間空間相關(guān)性的前提下建立起來的。1.3空間相關(guān)的紅外焦平面陣列響應(yīng)模型公式(3)中模型是在假設(shè)各光敏元間在統(tǒng)計(jì)上是獨(dú)立的前提下建立的。實(shí)際上，焦平面陣列各光敏元間是具有空間相關(guān)性的，并且空間噪聲具有一定范圍。前述關(guān)于ei,j是均值為0、方差為e的正態(tài)分布的假設(shè)，忽略了各光敏元間的空間相關(guān)性和空間噪聲的大小。根據(jù)空間噪聲的概念，可以先產(chǎn)生方差為VN螄spa的正態(tài)分布ei,j6-7，然

7、后通過下面的相關(guān)矩陣將M×N個互不相關(guān)的隨機(jī)過程轉(zhuǎn)化為M×N個具有給定相關(guān)性的隨機(jī)過程：M,N1紅外焦平面陣列非線性響應(yīng)模型的建立在模擬紅外焦平面陣列的響應(yīng)特性時(shí),主要考慮各陣元的不一致性。目前，國內(nèi)一些模型都是建立在各探測元的響應(yīng)是線性的前提下。在線性模型中，探測器的非均勻性用目前常用的兩點(diǎn)非均勻性校正法可以完全校正。實(shí)際上，用以探測器線性響應(yīng)模型為前提的兩點(diǎn)校正法不能完全校正探測器的非均勻性。為了更逼真地模擬探測器的非均勻性，筆者建立了探測器的非線性響應(yīng)模型。Ei,j=Ci,jei,ji=1,j=1(4)式中：M，N為焦平面的總行數(shù)和總列數(shù)；Ci,j為相關(guān)系數(shù)陣。同理，

8、將ai,j和bi,j也轉(zhuǎn)化為具有空間相關(guān)性的隨機(jī)過程：M,N1.1空間噪聲在均勻入射輻射下，焦平面陣列各探測單元輸出的原始響應(yīng)等效電壓的均方根偏差與其平均值之比稱為焦平面響應(yīng)的不均勻性。焦平面各像元光響應(yīng)的不均勻性帶來的后果是信噪比下降，因此，光響應(yīng)的不均勻性也是一種噪聲，稱為空間噪聲。一塊M×N的面陣列CCD的空間噪聲VN_spa被定義為平均響應(yīng)電壓Ai,j=Ci,jai,ji=1,j=1M,N(5)(6)Bi,j=Ci,jbi,ji=1,j=1則，公式(3)可以寫成如下形式：軍V與不均勻性UN之乘積，由以下公式表示:UN=1軍VVi,j()=(1+Ai,j)·+Bi,j

9、+Ei,j·(1)(2)(7)姨1N·M軍)2(V(i,j)-Vi=1,j=1上式為基于空間相關(guān)性的紅外焦平面陣列響應(yīng)模型。對于紅外焦平面陣列來說，如果每一個像元的a、b、e值都完全一樣，則該器件的響應(yīng)就是均勻的，但目前還無法做到這一點(diǎn)。M,NV·UNVN_spa=軍式中：軍V為平均響應(yīng)電壓，軍V=1N·MV(i,j)；M、N為i=1,j=12仿真結(jié)果2.1非均勻性兩點(diǎn)校正算法兩點(diǎn)校正的黑體輻射源定標(biāo)校正算法是最早在工程中廣泛使用的算法8。其原理為使焦平面接受均勻的黑體輻射，通過改變黑體輻射的溫度得到高溫與低溫時(shí)的響應(yīng)圖像，進(jìn)而計(jì)算出每個像元的校正系數(shù)。

10、首先要選取高低溫兩個溫度點(diǎn)T1和T2，對應(yīng)的兩個輻照度準(zhǔn)1和準(zhǔn)2，對紅外焦平面陣列M×N個光敏元焦平面的總行數(shù)和總列數(shù)；V(i,j)為第i行、第j列像元的響應(yīng)信號電壓。1.2空間無關(guān)的紅外焦平面陣列響應(yīng)模型772紅外與激光工程第37卷的輸出取平均后有：間相關(guān)的非線性響應(yīng)模型仿真的圖像，用基于線性理軍V(準(zhǔn)1)=Vij(準(zhǔn)1)/(M×N)軍V(準(zhǔn)2)=Vij(準(zhǔn)2)/(M×N)(8)(9)論的兩點(diǎn)校正法校正以后，非均勻性明顯下降，但仍有剩余的非均勻性，這點(diǎn)也與真實(shí)的探測器表現(xiàn)吻合。3結(jié)論對于不同類型的探測器和不同的應(yīng)用，探測器的響應(yīng)特性也是不盡相同的。針對具體的應(yīng)用

11、和特定的類型，可以在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的優(yōu)化。一個合適的數(shù)學(xué)模型，既要滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，又要考慮算法的復(fù)雜性以及算法對資源的需要。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還只是初步的，其合理化的應(yīng)用是下一步探索的目標(biāo)。用軍V(準(zhǔn)1)、軍V(準(zhǔn)2)確定的直線作為校正曲線，則在任意輻照度準(zhǔn)下探測元的輸出為:Vij(準(zhǔn))=Gij×Vij(準(zhǔn))+Oij(10)式中：Gij=軍V(準(zhǔn)2)-軍V(準(zhǔn)1)/Vij(準(zhǔn)2)-Vij(準(zhǔn)1)，Oij=Vij(準(zhǔn)2)×軍V(準(zhǔn)1)-Vij(準(zhǔn)1)軍V(準(zhǔn)2)/Vij(準(zhǔn)2)-Vij(準(zhǔn)1)，分別為增益校正系數(shù)和偏置校正系數(shù)?？梢娫撍惴ㄊ墙⒃谔綔y器單元響應(yīng)為線

12、性的基礎(chǔ)上。2.2仿真結(jié)果分析根據(jù)基于空間相關(guān)性的紅外焦平面陣列響應(yīng)模型，對探測器響應(yīng)的非均勻性進(jìn)行了仿真，很好地表征了探測器響應(yīng)的非均勻性對探測器成像性能的影響。圖1為模擬256×256的紅外焦平面探測器對溫度為290K的均勻照明黑體所成的像。從圖中可以清楚地看到探測器響應(yīng)的非均勻性。圖2為探測器的參考文獻(xiàn)：1KARINSJP.ModelsofnonlinearitiesinfocalplanearraysC/ProceedingsofSPIE,InfraredDetectorsandFocalPlaneArraysII,1992,1685:103-109.2HUGui螄hong,

13、CHENQian,SHENXiao螄yan.Researchonthe3FRIEDENBERGA,GOLDBLATTI.Nonuniformitytwo螄pointlinearcorrectionerrorsininfraredfocalplanearraysJ.OpticalEngineering,1998,37(4):1251-1253.圖1均勻照明黑體仿真成像圖2理想化模型圖3空間無關(guān)的響應(yīng)模型4GUREVICHE,FEINA.MaintaininguniformityofIRfocalplanearraysbyupdatingoffsetcorrectioncoefficientsC/

14、ProceedingsofSPIE,InfraredTechnologyandApplicationXXVIII,2003,4820:809-820.Fig.1Imageofblack螄bodyFig.2IdealizedmodelFig.3Spatial螄independ螄encemodel5理想化線性響應(yīng)仿真圖像。圖3為ai,j、bi,j、ei,j取均值為0的，服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，即忽略各探測元間的空間相關(guān)性時(shí)，探測器的非均勻性響應(yīng)特性仿真圖像。圖4為考慮了空間相關(guān)性的探測器非均勻性響應(yīng)仿真圖像以及對其進(jìn)行過兩點(diǎn)校正的圖像。圖5為探測器的實(shí)際成像。TIDHARG.IRFPAphasenoiseef