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基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正研究

谢忠敏  
【摘要】: 红外焦平面阵列(IRFPA)是现代红外成像系统的关键部件。由于材料和制造技术、光学系统以及外部环境的变化等都会使探测单元存在着非均匀性。非均匀性的存在极大地限制了成像系统的性能,在非均匀性严重的情况下器件将失去探测能力,更不用说提取图像信号的特征,对图像信号进行处理了。红外器件的成品率低,造价很高,通过校正来减小非均匀性,提高成像质量,具有很高的经济价值,因此必须对IRFPA器件的非均匀性进行校正。 论文首先分析了红外焦平面阵列非均匀性的原因,总结了目前的红外焦平面阵列非均匀性校正算法:基于参考源的非均匀性校正算法(定标法)和基于场景的非均匀性校正算法。详细分析了每种算法的思想、方法、优缺点,重点讨论了基于场景的非均匀性校正方法。定标法要求在特定的温度下,由黑体产生均匀辐射背景,对指定焦平面器件进行参数的提取,按一定的算法得出该探测器的校正参数,对探测器输出进行校正。定标校正法技术成熟、硬件实现容易、校正效果明显、图像较为均匀,缺点是校正时,需要定标。基于场景的非均匀性校正算法有:神经网络法、时域高通滤波法、恒定统计法、代数校正算法、Kalman滤波法等。这类算法由于能够随着IRFPA非均匀性的变化自适应地对图像进行校正,因此成为非均匀性研究的热点。 由于基于场景的校正方法需要很快的运算速度,而FPGA具有并行的特点,具有很快的速度,它的产生带来了数字系统设计的大变革。使用FPGA来进行非均匀性校正具有很大的优势。论文介绍了FPGA的产生与特点、FPGA的开发过程,分析了用FPGA进行非均匀性校正的优缺点。 论文最后一部分基于目前系统水平,分析简化了时域高通滤波算法,使其更易于采用硬件来实现基于场景的校正算法;以FPGA为硬件平台,基于SOPC技术,实现了该方法并进行了仿真。首先介绍了视频采集卡的构成和特点、Altera公司的EP2S60开发板的构成与特色,并给出了视频编码芯片的框图;随后介绍了相关的开发软件;最后说明了实现的具体流程,详细描述了视频采集过程、具体的时域高通滤波校正算法,给出了校正的部分代码,还给出了实验的结果。实验的结果表明时域高通滤波校正算法可以在一定程度上校正低频的非均匀性,但是积累的帧数需要适当选择。


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