红外焦平面阵列变积分时间下的非均匀性校正（文1）

摘 要:
凝视红外焦平面成像系统中经常需要根据目标红外辐射强度来调节探测器积分时间，当积分时间变化后， 红外图像的均匀性明显变差。
本文探索了一种校正系数随着积分时间线性变化的焦平面非均匀性校正方法， 克服了需要存储较多校正系数的问题， 不仅使红外图像的均匀性得到较大幅度提高， 而且在修改积分时间的情况下图像均匀性不受影响。

1 引 言
在凝视红外焦平面成像系统的实际应用中， 经常需要根据目标红外辐射强度来修改探测器积分时间。
而对图像进行非均匀性校正以后， 即使效果良好， 若改变探测器的积分时间， 由于其读出电路、器件、放大电路的离散特性及工艺方面的差异， 图像的均匀性仍会明显变差。
这种现象本质上是由于各个探测单元输出电路对积分时间响应的非一致性引起的。
工程上积分时间修改的应用有两种， 一种是积分时间为固定档位值， 另一种是积分时间为动态的非固定档位值。
针对第一种应用可以在每个积分时间档位采用现有工程上使用较多且比较容易实现的方法———两点温度定标法计算各个积分时间点的校正系数， 但这种方法对于后一种应用， 显然不再适用。
对于第二种应用， 现有的方法是按照积分时间划分区间段， 每段区间内的积分时间点上的校正系数均使用区间内某个积分时间点上的校正系数代替， 这样处理的好处是实现起来很简单。但缺点在于只是通过积分时间分段校正弱化了修改积分时间对像元非均匀性的影响 ， 但由于各个探测单元输出电路对积分时间响应的非均匀性依然存在， 因此校正模型与实际情况的误差较大， 校正效果不是很理想。
本文实现了一种校正系数反映积分时间变化的焦平面非均匀性校正方法， 不仅使红外图像的均匀性得到较大幅度提高， 而且修改积分时间图像均匀性不受影响。

2 积分时间对探测器响应的影响
探测单元的积分电路如图 1 所示， 外界辐射使得流过探测器的电流发生变化， 电流经过积分电路积分放大， 转化为电压信号输出， 最终表现出红外图像的像素的灰度值。


公式( 4) 中有三个变量: 输出电压 Vout 、积分时间 Tint 和入射光辐射通量 Φeλ 。在电路参数固定和大气参数不变的情况下， 如积分时间恒定， 则探测单元输出电压与辐射通量成正比;
若辐射通量恒定， 则探测单元的输出电压与积分时间成正比 。

这是理论的，但是实际上是：各个探测单元输出电路对积分时间响应是非一致的。

3 非均匀性校正方法
实际应用中积分时间需要动态调节( 积分时间不为固定档位值) ， 不可能存储各个积分时间点下
的校正系数， 因此可以选取一定数量的积分时间点，计算各个积分时间点下的系数， 找出定标校正系数
与积分时间的关系， 这样只需要存储少量的系数， 通过关系函数计算就可以得到该积分时间点下的校正
系数。
首先在不同的红外焦平面阵列的积分时间下( 积分时间点的选取要覆盖整个积分时间范围) ， 用
两点温度定标法计算探测单元采集到的平均图像数据输出， 然后求得每个有效像元点在不同积分时间
条件下所对应的增益定标系数和偏置定标系数。接着选取若干个有效像元点， 绘出选取的像元点的定
标增益和定标偏置校正系数与积分时间的折线图，如图 2、3 所示。

图 2 定标增益校正系数与积分时间关系
Fig． 2 The relation between gain correction coefficient
and integration time

图 3 定标偏置校正系数与积分时间关系
Fig． 3 The relation between bias correction coefficient
and integration time

由图 2、图 3 可以看出， 在不同的积分时间区间内， 每个像元点的定标校正系数与积分时间呈近似线性的关系。因此， 可以按照定标校正系数随积分时间分段线性变化原则， 在每个校正系数线性段内使用最小二乘法拟合曲线， 找出每段积分时间区 间 定 标 校 正 系 数 与 积 分 时 间的线性关系， 也就得到了段偏置和段增益校正系数。当修改积分时间时， 根据积分时间所在的区间， 就可以通过查找表得到当前段的段偏置和段增益校正系数， 根据式( 6) 、式( 7) 可以计算得到当前积分时间下的校正系数， 然后根据式( 5) 完成校正运算。
在每个线性区间段内， 校正系数 K 、B 与积分时间呈线性关系， 校正模型为:

其中， K1 、B1 为当前段积分时间区间的段增益校正系数， K2 、B2 为当前积分时间区间的段偏置校正系
数。
如图 2 可知， 焦平面阵列按积分时间线性分段可分为四个区间， 分别为( 0， 1) ，( 1， 10) ，( 10， 15) ，( 15， 20) ， 每个区间包含 4 个段校正系数， 一共需要16 个系数。

详见《张守荣等 红外焦平面阵列变积分时间下的非均匀性校正》激 光 与 红 外 No． 5 2016