1、第29卷第6期光電工程Vol.29,No.6 2002年12月 Opto-Electronic Engineering Dec,2002文章編號:1003-501X(200206-0039-04利用FPGA實現紅外焦平面陣列實時非均勻性校正孔令彬1,2,易新建1,王典洪2,葉敦范2(1.華中科技大學光電子工程系,湖北武漢430074;2.中國地質大學機電工程系,湖北武漢430074摘要:實時非均勻性校正是紅外成像的一項關鍵技術。根據紅外焦平面陣列探測元光譜響應的特點和基于參照源的兩點溫標非均勻性校正理論,提出一種利用FPGA硬件實現紅外焦平面陣列實時非均勻性兩點校正的新方法。該方法動態范圍大、

2、處理速度快,適用于紅外成像系統實時圖像處理場合。仿真和實驗結果證明是可行的。關鍵詞:紅外焦平面陣列;現場可編程門陣列;非均勻性校正;紅外成像系統中圖分類號:TN215 文獻標識碼:AReal-time nonuniform correction for IR focal plane arrayby using field programmable gate arrayKONG Ling-bin1,2, YI Xin-jian1WANG Dian-hong2, YE Dun-fan2(1. Department of Optoelectronic Engineering, Huazhong Un

3、iversityof Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Department of Mechanic and Electronic Engineering, ChinaUniversity of Geosciences, Wuhan 430074, ChinaAbstract: Real-time nonuniform correction is a key technique for IR imaging. A new, real-time and uniform two-point correction method for IR

4、 focal plane array is carried out by means of Field Programmable Gate Array (FPGA is proposed according to the spectral response characteristics of IR Focal Plane Array (IRFPA detectors and nonuniform correction theory for two-point thermometric scale based on reference radiant point. The method has

5、 the advantages of large dynamic range and fast processing speed.It is suitable for processing image at real-time i n IR imaging system. Both simulation and experimental results demonstrate that the method is feasible.Key words:Infrared focal plane array;Field programmable gate array;Non-uniformity

6、correction;Infrared imaging system.引言紅外焦平面陣列(IRFPA探測元具有敏感度高、探測能力強、能夠獲得有關物體更多的表面信息以及更高的、可變的幀速率等優點,正在成為紅外熱成像技術中的主流器件。然而,由于制造和使用環境的影響,使得圖像的非均勻性(non-uniformity成為制約紅外焦平面陣列探測器性能的限制性因素。一般意 光電工程 第29卷第6期40義上的非均勻性是指紅外焦平面陣列在同一均勻輻射下,由于探測器各陣列元的紅外響應(度不一致,其視頻輸出幅度不同而導致的像質降低,又稱空間噪聲或固定圖案噪聲1。更進一步意義上的非均勻性還包括由焦平面陣列所處環境的

7、溫度變化、電荷傳輸效率、1/f (電流噪聲、無效探測元(盲元以及紅外光學系統等諸多因素所造成的成像質量的下降。1紅外探測器非均勻性分析紅外焦平面陣列多元探測器的響應度不一致會導致圖像上出現水平紋理,使得紅外成像系統輸出圖像的視覺效果很差。對于n 元探測器(i =0,1,n -1,由于其響應度非均勻性的存在,在同樣的入射照度E ëI 作用下,將引起不同的輸出信號(幅度V s0,V s1,V s(n-1。對于探測器響應度的非均勻性(PRUN ,一般定義為:各探測單元在二分之一飽和輻射量下所輸出的原始響應等效電壓信號與其平均值之比2,即=12s s s(11n i i V V n V PR

8、UN i= 0,1,n-1 (1 式中 s V 為探測器各單元原始響應信號的平均值。若探測器的光譜響應度R =V s /與波長無關,且考慮無照射輻射時探測器輸出的暗電流信號V o i ,于是探測器的響應關系為 i i i V R V o s += (2 式中 =Äëd a 02d 4ðL A F ,表示匯聚到探測器焦平面上的景物輻射功率。2 紅外焦平面陣列非均勻性校正基本方法紅外焦平面陣列非均勻性校正根據獲得非均勻性校正參數方法的不同原理,可將校正方法分為參考輻射源法、離焦法、統計平均法和神經網絡法等多種方法3-4。其中有的已經實用,有的正處在理論探索和實驗室研究

9、階段。2.1兩點校正法原理從紅外圖像非均勻性的來源和表現形式可以看出,如果各陣列元的響應特性在所感興趣的溫度范圍內為線性的,在時間上是穩定的,并假定1/f 噪聲的影響較小,則非均勻性引入固定模式的乘性和加性噪聲。在這種情況下,對于n ×m 元紅外焦平面陣列,其陣列元在均勻輻射背景條件下的輸出為ij ij ij v u x +=(i =0, 1, n-1;j =0, 1, , m -1. (3其中為輻射通量,u ij 和v ij 分別為增益和偏移量。對于每一個陣列元,u ij 和v ij 的值都是固定的,并且不隨時間變化。因此采用兩點校正法即可實現紅外焦平面陣列圖像的非均勻性校正,其校

10、正方程為ij ij ij ij Q x G y +=(4其中 G ij 和Q ij 分別為兩點校正法的增益校正因子和偏移量校正因子;y ij 為校正后的輸出。通常兩點法校正過程分為標定和補償兩步。在光路中插入一均勻輻射的黑體,將所有陣列元在低溫T L(第一標定點和高溫T H (第二標定點下的響應分別規格化為V L 和V H 。ij ij ij Q x G V +=(L L (5;ij ij ij Q x G V +=(H H (6通過下式計算出增益校正因子和偏移量校正因子(L H LH ij ij ij x x V V G =(7;(H L H L L H ij ij ij ij ij x x

11、 x V x V Q =(82002年12月 孔令彬等:利用FPGA 實現紅外焦平面陣列實時非均勻性校正41其中x ij (L 和x ij (H 分別為像元(i ,j 在低溫和高溫均為輻射背景下的響應。將各陣列元的增益校正因子G ij 和偏移量校正因子Q ij 預先存入相應的存儲單元,這樣就完成了非均勻性的標定。然后將實際的探測器單元響應信號與各自的校正因子相乘,再加上各探測單元的偏移量,即完成非均勻性的補償。由此可見,兩點校正法實際上就是在第一定標點處把各響應曲線平移至平均響應值上,然后以此點為軸將各響應曲線旋轉至第二定標點處平均響應值上。應用兩點校正法對具有線性響應的探測器進行校正,可以取

12、得很好的校正效果,并且這種方法的優點是計算量較小,便于用硬件實現。2.2兩點校正法的FPGA 實現 紅外焦平面陣列探測器非均勻性兩點校正算法的硬件框圖如圖1所示。 兩點校正算法的硬件采用現場可編程門陣列(FPGA 實現。我們選用Altera 公司FLEX10k 系列FPGA ,單片容量可達幾十萬門,可提供7205392個觸發器及614424576bit 位RAM ,信號處理速率高達105MHz 。Altera FLEX10k 系列FPGA 主要由輸入輸出單元IOE 、嵌入式陣列EAB 、邏輯陣列LAB 及內部連線組成5。它完全滿足了兩點校正算法的資源要求。兩點校正算法中主要有兩種運算:加法和乘

13、法。為了節省硬件資源,在滿足精度的情況下,將校正因子(系數歸一化為定點數,以便采用定點加法器和定點乘法器。這樣14×14bit 的乘法器共占用約30個嵌入式陣列塊(EAB 和620個邏輯單元(LE 。其流水線分為六級,最高運算處理速度達60MHz 。非均勻校正因子(系數存儲采用Flash EPROM ,即可以保證系統通電即可使用,又可以在定標時根據需要修改系數。定標后產生的校正系數由處理器通過專用的處理器接口寫入校正因子(系數存儲器。 2.3非均勻性校正的實際應用 Sofradir 公司的320×240長波非致冷微測輻射熱計紅外焦平面陣列(ID ML0711-V3包括607

14、0,000個探測器,但所有探測單元的響應(曲線都不相同。焦平面陣列上的所有非缺陷像元都有不同的增益和偏差響應,其非均勻性超過60%,不進行非均勻性校正,就不能得到可視的紅外圖像。圖2(a和圖2(b分別是未經非均勻性校正的紅外圖像和經非均勻性校正后的紅外圖像。因此,要用焦平面陣列探測器來得到清晰的圖像就需要采用實用的算法和器件來進行非均勻性校正。我們采用上述兩點法,由FPGA 硬件實現紅外焦平面陣列實時非均勻性校正,其步驟如下:第一步,進行增益補償,把探測器單元的響應度(曲線限制在A/D 轉換器的動態范圍內。圖3(a表示沒有進行非均勻性校正的情況。圖3(b表示經過第一步增益補償后,探測器單元的響

15、應度被限制在A/D 轉換器的動態范圍內。(a (b 圖2非均勻性校正前后的紅外圖像(a校正前圖像;(b校正后圖像Fig.2 IR images before and after nonuniform correction (a Image before correction; (b Image after correction光電工程 第29卷第6期 42第二步,進行偏差校正,使各探測器單元的增益因子相同,即探測器各單元的響應曲線相互平行,并找出所有探測器單元響應曲線分布的中間值,如圖3(c所示。第三步,以此中間值作為基準來進行非均勻性校正(NUC ,從而使所有探測器單元具有相同的響應特性,如

16、圖3(d所示。 結束語紅外焦平面陣列在紅外成像系統中的應用已是大勢所趨,并終將代替掃描成像系統。因此,解決焦平面陣列非均勻性校正已成為紅外成像系統設計中的頭等重要的問題。盡管世界范圍內有關焦平面陣列非均勻性校正問題的研究工作、技術途徑多種多樣,但目前在商業上有推廣價值的和軍事上能夠實用的還是兩點法。兩點校正法側重于從非均勻性產生的機理出發進行校正,并且其算法相對簡單,運算速度快,便于用硬件(FPGA 實現。目前,專家和工程師們的著眼點依然是修正和完善兩點校正法提高精度和算法處理速度。參考文獻:1MOONEY J M, SHEPHERD F D. Characterizing IRFPA non

17、uniformity and IR camera spatial noiseJ. Infrared Physicsand Technology ,1996,37:595-605.2 DAVID L, SARKADY K A. Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensorsJ. Optical Engineering ,1993,32(8:1854-1859.3 劉志才,李志廣. 紅外熱像儀圖像處理技術綜述J. 紅外技術,2000,22(6:27-32.4 FENNER J W, SCRIBNER D A

18、. Design of IRFPA nonuniformity correction algorithm to be implemented as a real-timehardware prototypeJ. SPIE ,1994,2225:350-359.5 宋萬杰,羅豐,吳順君. CPLD 技術及其應用M. 西安:西安電子科技大學出版社,2000.80604020R e s p o n s i b i l i t y / d b80604020R e s p o n s i b i l i ty / d bR e s p o n s i b i l i t y / d b(c Response characteristics after the second correc