一種兩點校正紅外熱像儀的非均勻性的模塊及方法

【技術領域】

[0001] 本發明屬于紅外熱成像系統的非均勻性校正領域，特別是一種兩點校正紅外熱像 儀的非均勻性的模塊及方法。

【背景技術】

[0002] 在過去的幾十年中，紅外探測器件的元數不斷增加，由單元發展到線列，由線列發 展到焦平面陣列(FPA)。紅外焦平面陣列探測器的出現，是紅外成像史上一個劃時代的革 命，它大幅提高了紅外成像系統的靈敏度和可靠性。作為現代紅外系統和熱成像系統的關 鍵部件，凝視型紅外焦平面陣列(IRFPA)器件成本低廉，體積小，無需制冷，目前已在軍事 (紅外跟蹤、預警、制導)、醫療、安全等方面得到廣泛應用，用它構成的紅外成像系統較傳 統的光機掃描紅外成像系統具有結構簡單、工作穩定、靈敏度高、噪聲等效溫差(NETD)小 等優點。

[0003] 然而，受紅外探測器材料和工藝方面的影響，紅外焦平面陣列的非均勻性問題成 為長期以來制約其應用的根本問題。一般意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像元的紅外響應度不一致導致其視頻輸出幅度不同，造成像質降 低，又稱空間噪聲；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溫度變化、 電荷傳輸效率、Ι/f噪聲(電流噪聲)、無效探測元(壞元)以及紅外光學系統等諸多因素 所造成的成像質量的下降。這種固定的圖像噪聲，使紅外成像系統的溫度分辨率下降，圖像 質量受到嚴重影響。因此，必須對紅外焦平面陣列進行非均勻性校正。

[0004] 目前普遍采用后期算法處理來補償空間非均勻性。總起來說，可以將這些技術分 為二大類，即基于定標和基于場景的非均勻性校正技術。最初開發使用的是基于定標的非 均勻性校正技術，其中較為成熟的方法是基于探測元的單點、兩點及多點定標算法，它們以 普朗克輻射定律和紅外探測元的線性響應模型為基礎，現階段廣泛應用于成像系統之中。 近年來，各種基于場景的非均勻性校正技術也不斷涌現，以彌補溫漂現象，避開定標過程； 但在面臨極端場景，如場景靜止、鏡頭旋轉或反差極大的場景反復切換時，校正效果會大幅 退化，甚至無法觀察；另外，受限于現有的系統結構和硬件水平，只能用于軟件仿真或后續 處理，還無法做到實時，實際應用尚不成熟。比較而言，基于定標的非均勻性校正更為精確， 對于場景和目標沒有特殊要求，硬件易于實現和集成，是紅外焦平面陣列系統公認的評估 手段。

[0005] 為獲得更高的幀頻和更好的圖像質量，紅外熱像儀的探測器和外部存儲器設備不 斷更新換代，每次系統架構升級都必須重新編寫兩點校正的處理程序，進行了大量重復性 工作，延長了開發周期。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種兩點校正紅外熱像儀的非均勻性的模塊及方法，結合 FPGA+外部存儲器的系統構架，使熱像儀在實際使用過程中滿足在線定標和實時校正的要 求。

[0007] 實現本發明目的的技術解決方案為：一種兩點校正紅外熱像儀的非均勻性的模 塊，包括數據格式調整模塊、串口指令解析模塊、定標控制模塊、加權平均運算模塊、外部存 儲器仲裁控制模塊、第一 FIFO緩沖區、第二FIFO緩沖區、求均值模塊、并轉串及FLASH控制 器、、內部寄存器、兩點參數計算模塊、兩點校正模塊和壞元替代模塊。

[0008] 加權平均運算模塊分別與串口指令解析模塊、定標控制模塊和外部存儲器仲裁 控制模塊連接，外部存儲器仲裁控制模塊分別與串口指令解析模塊、定標控制模塊、第二 FIFO緩沖區、求均值模塊和兩點參數計算模塊連接，定標控制模塊分別與數據格式調整模 塊和串口指令解析模塊連接，兩點校正模塊分別與串口指令解析模塊、第一 FIFO緩沖區、 兩點參數計算模塊和壞元替代模塊連接，并轉串及FLASH控制器與第二FIFO緩沖區連接， 數據格式調整模塊與第一 FIFO緩沖區連接，兩點參數計算模塊與壞元替代模塊連接，外部 存儲器仲裁控制模塊再外接外部存儲器，外部存儲器仲裁控制模塊、求均值模塊、并轉串及 FLASH控制器和內部寄存器分別外接串行FLASH。

[0009] 數據格式調整模塊把紅外熱像儀的探測器采集的原始數據轉化為標準格式數據， 即當前幀A，并送到定標控制模塊和第一 FIFO緩沖區；把紅外熱像儀的探測器對準低溫黑 體，串口指令解析模塊對上位機的定標命令進行解析，并把得到的累加幀數p和存低溫使 能送入定標控制模塊，權值參數q送入加權平均運算模塊；定標控制模塊控制當前幀A送到 加權平均運算模塊進行加權平均運算，發送讀寫指令給外部存儲器仲裁控制模塊，在外部 存儲器中讀出存儲幀B并寫入均值幀C，循環迭代p次后，最終的均值幀C低溫定標圖像L。 [0010] 外部存儲器仲裁控制模塊接收各讀寫指令，對它們在時間上進行安排，發送讀寫 請求、地址和數據給外部存儲器，控制外部存儲器依次循環響應各讀寫指令；再把紅外熱像 儀的探測器對準高溫黑體，重復上述過程，得到高溫定標圖像Η ;串口指令解析模塊發送寫 FLASH使能信號給外部存儲器仲裁控制模塊，從外部存儲器中同時讀出低溫定標圖像L和 高溫定標圖像H，分別送入求均值模塊和第二FIFO緩沖區；求均值模塊分別求出低溫定標 圖像L的均值￡和高溫定標圖像Η的均值謹，并把它們存入串行FLASH的用戶區域；第二 FIFO緩沖區用來實現速率匹配，緩沖后的數據送入并轉串及FLASH控制器；并轉串及FLASH 控制器完成對串行FLASH的配置，把低溫定標圖像L和高溫定標圖像Η轉化為串行數據，依 次順序寫入串行FLASH用戶區域，至此定標操作完成。

[0011] 系統重新上電后，自動從串彳丁 FLASH中依次讀出低溫定標圖像L和1?溫定標圖像 Η并送至外部存儲器仲裁控制模塊，由其寫入外部存儲器指定位置；串行FLASH自動讀出低 溫定標圖像的均值:￡和高溫定標圖像的均值:麗:存入內部寄存器中；當一幀標準數據到達第 一 FIFO緩沖區時，就通過外部存儲器仲裁控制模塊同時讀出低溫定標圖像L和高溫定標圖 像H，從內部寄存器中讀出低溫定標圖像的均值S和高溫定標圖像的均值H一起送到兩點 參數計算模塊，通過兩點參數計算模塊計算得到增益校正系數K和偏置校正系數B，并將增 益校正系數K和偏置校正系數B送入兩點校正模塊進行校正，得到校正后的圖像Y，若增益 校正系數K和偏置校正系數B的值超過設定的閾值，就把壞元標志位置為1，否則置為0,壞 元標志位送入壞元替代模塊；將校正后的圖像Y再送入壞元替代模塊，壞元替代模塊檢測 壞元標志位，一旦發現為1，就把該處對應的像素值用緩存的前面一個的像素值替換，至此 校正處理完成，將得到的最終圖像輸出。

[0012] 第一 FIFO緩沖區起到數據同步的作用，把標準數據、增益校正系數K和偏置校正 系數B對齊，一起送入兩點校正模塊。

[0013] 上述加權平均運算模塊的加權平均運算公式為：

[0014]

[0015] 其中C為均值幀，即單次取平均得到的一幀圖像。

[0016] 兩點參數計算模塊的兩點參數計算公式為：

[0017]

[0018] 兩點校正模塊的兩點校正公式為：

[0019] Y = K · X+B

[0020] X代表數據格式調整模塊輸出的標準數據。

[0021] -種兩點校正紅外熱像儀的非均勻性的方法，步驟如下：

[0022] 步驟1)進行在線定標，獲得低溫定標圖像L和高溫定標圖像Η :

[0023] 步驟1-1)數據格式調整模塊接收紅外熱像儀獲得的實時紅外視頻序列，即當前 幀Α，將紅外熱像儀的探測器對準低溫黑體，利用串口設置權值參數q和累加幀數ρ，ρ范圍 為0, 1，2, 3··· 1024, q范圍為0, 1，2, 3··· 1024,并給出存儲低溫圖像的使能信號，串口指令解 析模塊接收到該低溫圖像使能信號后，由定標控制模塊控制外部存儲器仲裁控制模塊在外 部存儲器內存入一幅圖像，即存儲幀B，然后從外部存儲器讀出存儲幀B，在加權平均運算 模塊中將當前幀A和存儲幀B對應位置的每一個像素采集值進行加權平均，公式為：

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