基于DSP的红外焦平面阵列非均匀性校正技术研究

【摘要】： 红外探测器是热成像系统的关键部件，红外焦平面阵列成像代表红外热成像的发展方向。本文首先阐述了红外焦平面技术的概况，分析了今后的发展趋势，同时对红外热成像技术的历史、现状和发展趋势进行了比较全面的阐述。 随着红外技术在军事与民用方面得到更加广泛的应用，红外热成像技术的研究将具有广泛而深远的意义。课题来源于国家军工配套项目“128×128热释电红外焦平面CMOS读出电路”的子课题。论文在分析各种红外成像系统构成原理的基础上，研制了采用PC机和DSP (Digital Signal Processor) 数字信号处理板构成的主从式红外焦平面模拟成像系统结构，并从红外焦平面阵列的固有特性——非均匀性出发，对红外图像的非均匀性校正算法进行了深入的研究，并进行了红外焦平面阵列非均匀性校正的实验。 根据红外焦平面的特点，对红外成像系统进行了总体设计，成功研制了DSP红外焦平面阵列模拟成像系统。系统采用PC机与DSP数字信号处理板构成的主从式系统结构，计算机作为控制单元，DSP作为主要数值运算部分，利用DSP具有高速运算能力，实现软件算法硬件化，而 DSP 运算程序可通过主控机加载到 DSP 上运行。同时为使系统能与各种红外焦平面器件相联，使系统具有灵活性，在数据采集控制部分采用现场可编程逻辑器件 (FPGA) 作为采集控制单元，可实现采集控制的硬件电路灵活编程。整个系统的主体部分均采用数字系统设计。该系统具有速度快，精度高，性能稳定，系统灵活、可移植性强等特点。通过系统成像实验，己获得清晰的图像。 非均匀性是红外焦平面阵列成像必须解决的一个重要的问题。但由于材料和制造工艺等多方面的原因，造成了焦平面阵列视频输出的非均匀性。针对红外焦平面成像不均匀的缺点，对国内外红外焦平面非均匀性校正方法进行深入的研究，目前，国内外主要的非均匀校正方法分两种，一种为标定校正方法，另一种为自适应校正法。在分析红外焦平面阵列非均匀性校正方法的基础上，对红外焦平面阵列的实时校正算法存贮器校正法进行更深入的研究，提出存贮器优化法，通过合理选择标准曲线进行校正，能有效地提高非均匀校正的精度和扩宽成像器件的光敏响应区间。通过模拟实验验证，与原来的校正方法相比，使校正后残余的非均匀性从2.8％降到1.5％。 由于存贮器校正方法所需存贮数据量大，根据红外图像传感光电响应曲线分布的特点，提出数据压缩的直方图修正合并法，该方法在给定一定的压缩比的情况下， 重庆大学博士学位论文 通过进行合理的直方图修正合并，大大减少所需存储器的容量，能有效地拓宽密集 区间，充分利用有效像元进行校正，与相邻曲线合并法相比较，能有效地提高校正 精度。 为了验证所研究校正方法的有效性及红外成像系统的性能，用研制的DSP系统 进行了红外焦平面成像系统模拟实验。用CMOS图像传感器在可见光条件下来模拟 热释电红外焦平面阵列成像，利用DSP系统，对几种不同的校正方法，如两点校正 法，存贮器校正方法，存贮器优化校正法及直方图修正合并法进行了对比性校正实 验。验证了各校正方法的性能，并对几种校正方法进行了校正精度分析。证明了本 文提出的新方法校正效果更好。 通过本论文的研究，达到了红外成像系统及焦平面非均匀性校正研究的目的， 为进一步研制红外焦平面器件打下了坚实的基础。