紅外線(xiàn)列探測器盲元檢測和補償算法研究

摘要：為提高紅外線(xiàn)列探測器盲元檢測精度，針對紅外線(xiàn)列探測器的響應特點(diǎn)，設計了適用于本系統的盲元檢測和補償方案，根據本系統紅外線(xiàn)列探測器的特點(diǎn)，提出了一種在無(wú)標定光照情況下的盲元檢測方法，通過(guò)仿真認證，設計方案具有很高的盲元檢測精度，能較理想地對盲元進(jìn)行補償。

引言

　　紅外成像技術(shù)作為當今比較成熟的一種成像手段，具有很多可見(jiàn)光成像技術(shù)不具備的特點(diǎn)，在我們的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中具有不可替代的作用。但由于器件制作工藝和技術(shù)本身的限制，紅外成像也存在一定的缺陷，特別是探測器中存在一些響應“遲鈍”的單元，我們稱(chēng)為盲元，這些盲元會(huì )在一定程度上影響成像質(zhì)量，因此采用一定的手段找出這些盲元并對其探測出的像素點(diǎn)進(jìn)行適當處理顯得尤為重要^[1]。

　　當前比較成熟的解決途徑主要有兩種：第一種方法是從“根”上解決問(wèn)題，即在紅外探測器的生產(chǎn)環(huán)節做努力，通過(guò)采用更前沿的制作工藝來(lái)提高探測器的質(zhì)量，盡可能不產(chǎn)生盲元。此種方法雖然徹底，但會(huì )耗費過(guò)高的成本，而且容易受到制作工藝的制約;第二種方法是在探測器生產(chǎn)之后做后期的檢測，通過(guò)對探測器的成像特點(diǎn)進(jìn)行分析，檢測出盲元的位置，再進(jìn)行相應的校準。

1 盲元檢測及補償方法

1.1 盲元的定義

　　1. 幾個(gè)基本概念

　　(1)探測元的響應率

　　探測元的響應率是指用單位輻射功率照射探測單元所得到的響應電壓信號，其計算公式為：

　　R(m,n)=Vs(m,n)/P

　　Vs(m,n)是指用P個(gè)單位的輻射功率照射第(m,n)個(gè)探測元所得到的輸出響應，R(m,n)是指探測元響應率。

　　(2)平均響應率

　　探測器的輸出響應總值除以像元總數即得到探測元的平均響應率。

　　(3)探測元的噪聲電壓

　　每個(gè)探測元的噪聲電壓的計算過(guò)程為先計算出所有探測元的平均響應值，然后用該探測元的輸出值和平均值作差。

　　(4)平均噪聲電壓

　　所有探測元的輸出信號的方差即為平均噪聲電壓。

2.盲元的分類(lèi)

　　紅外探測器的盲元分為兩類(lèi)^[2]，一類(lèi)是“過(guò)熱”盲元，其定義為噪聲電壓比探測器的平均噪聲電壓高出一定倍數的探測元(通常定為10倍); 另一類(lèi)是“死”盲元，其定義為探測元的響應率與平均響應率相差一定比例的探測元(通常定為十分之一)。

1.2 通常的盲元檢測和盲元補償算法

　　當前主流的盲元檢測算法分為兩類(lèi)：一是通過(guò)分析盲元周?chē)袼攸c(diǎn)的關(guān)聯(lián)性來(lái)定位盲元的位置，這種算法能保證精確性，但無(wú)法保證現場(chǎng)及時(shí)檢測;二是直接使用附近像素點(diǎn)的具體信息，在最短的時(shí)間內找出那些差距較大的探測元^[3]，從而達到隨時(shí)隨地檢測并補償盲元的目的。其實(shí)現過(guò)程需要界定一個(gè)臨界值，大于該臨界值的認為是盲元。因此臨界值的選取是關(guān)鍵環(huán)節，其值太大會(huì )導致盲元漏檢，太小則將正常探測元也認定為盲元。有的文獻(例如參考文獻[4])提出的算法以待檢測探測元為中心選取一個(gè)滑動(dòng)窗口，通過(guò)計算中心探測元探測值與窗口內探測元的差值來(lái)判斷其是否為盲元，其缺點(diǎn)是計算過(guò)程較為復雜。

　　當前應用較多的盲元補償算法主要有：一是對盲元周?chē)南袼攸c(diǎn)按一定公式進(jìn)行運算，用得到的值去替代盲元點(diǎn)的值;二是查找出噪聲電壓較大的像素點(diǎn)，再通過(guò)排序法找到這些像素值的中間值，用其替代前者。另外還可以利用線(xiàn)性函數數量關(guān)系進(jìn)行盲元補償^[5]。

2.本系統的盲元檢測及補償算法設計

2.1 系統硬件設計介紹

　　1. 紅外線(xiàn)列探測器單元介紹

　　本系統的紅外探測器單元由128元紅外探測器和數據預處理電路封裝組成，如圖1所示。該芯片的管腳主要有Vdd、Gnd、Reset、Vref、Out_data。其中Vdd和Gnd分別為電源和地，Reset為復位信號，Vref為芯片的偏置電壓，Out_data為輸出的紅外數據。芯片的電源電壓Vdd為3.3V，工作溫度為120-250k，輸出噪聲小于等于兩個(gè)有效位，功耗小于120mW， 集成的模數轉換器精度為8位，芯片內的探測元排列順序采用奇偶行分開(kāi)的方式，如圖2所示，這種方式可解決芯片的輸出數據與實(shí)際場(chǎng)景的真實(shí)位置無(wú)法做到對應的問(wèn)題。

　　2.FPGA控制面板

　　FPGA控制面板是系統的核心部分，負責將控制參數發(fā)送給紅外探測器，并將探測器的輸出數據進(jìn)行解析后傳送到上位機成像。FPGA控制面板由FPGA芯片和USB模塊組成。FPGA芯片選用Altera公司生產(chǎn)的EP1C6Q240C8，其內部邏輯單元數為20060個(gè)，RAM存儲容量為288kB，為系統的程序開(kāi)發(fā)提供了充足的的邏輯單元和存儲空間。USB模塊主要由CY7C68013USB芯片和外圍電路組成，該芯片具有8500字節的片上RAM和4000字節的FIFO存儲器，為紅外數據緩存提供了充足空間。

2.2 盲元檢測方案

　　本文盲元檢測的實(shí)現過(guò)程如圖3所示，紅外線(xiàn)列探測器對準均勻光進(jìn)行均勻掃描，輸出探測數據。通過(guò)數據累加器把探測單元輸出的像素值進(jìn)行累加再除以行數，求出該探測元響應值的平均值。對剩余的探測單元也進(jìn)行上述步驟，完成后，用中值濾波算法求出n個(gè)探測元平均響應值的中值，再用其他n-1個(gè)探測元的平均值依次去減該中值，然后選擇一個(gè)適中的臨界值，如果差值超過(guò)臨界值，則在其盲元判定存儲器中做好標記，反之，則是正常元。

　　使用Modelsim軟件對該方案的verilog程序進(jìn)行仿真，圖4為盲元檢測單元的輸出波形。mdf_a11-mdf_a33分別為輸入的n個(gè)探測元的輸出響應值的平均值，用中值濾波法求出它們當中的中值，再把輸出響應值分別與此中值進(jìn)行比較，偏差大于閾值百分比的認定為盲元。mdf_a11_reg1-mdf_a33_reg1為盲元判定標志，其值為1，表示判定為盲元，為0則是正常元。圖5為盲元檢測的整體仿真輸出波形，將探測到的紅外響應數據每n個(gè)為一組，傳送到盲元檢測單元，輸出即為探測器的盲元檢測結果。

2.3 采集現場(chǎng)的盲元檢測

　　常用的盲元檢測方法需要兩束均勻光，而探測器由于受到外界影響，可能會(huì )形成新盲元，在非實(shí)驗室環(huán)境下又無(wú)法找到均勻光環(huán)境，這種情形需要選取新的方法進(jìn)行盲元檢測。對此，我們嘗試利用盲元通常響應過(guò)大或者沒(méi)有輸出響應的特點(diǎn)，對一個(gè)背景多樣的場(chǎng)景進(jìn)行成像，若探測元為盲元，其輸出響應值會(huì )在一個(gè)很小的范圍內浮動(dòng)，所以，我們可以通過(guò)計算同一探測元的輸出數據的變動(dòng)幅度，求出其N(xiāo)U值^[6]，即非均勻性。若其值比選取的臨界值小，則認為該探測元為盲元。

　　方案仿真：

　　對該系統所用的紅外線(xiàn)列探測器的輸出圖像用matlab進(jìn)行處理，通過(guò)上述求單個(gè)探測單元行響應值的NU值的方法，掃描不同的圖像，同一探測元可能被判定為盲元，也可能被判定為正常元。為找到原因，我們把本系統所用的紅外線(xiàn)列探測器的所有探測元的輸出值進(jìn)行了統計，為便于觀(guān)察，特繪制輸出響應曲線(xiàn)，如圖6所示。通過(guò)分析不難發(fā)現，大部分探測元的輸出響應比較集中，呈近線(xiàn)性規律，而輸出不規律的探測元并沒(méi)有像通常的盲元那樣響應過(guò)強或很弱，而是在光照從零到一定范圍增大時(shí)沒(méi)有輸出響應，當超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)響應也隨光照正確而變大，基于這種特性，上述方法不能準確檢測出盲元的位置。

　　通過(guò)上述分析我們不難得到這樣的結論：本系統所用的紅線(xiàn)線(xiàn)列探測器含有的特殊“盲元”需要通過(guò)特殊方法查找到。即利用在某一固定光照強度下，特殊“盲元”的輸出值與正常元相差很多的特性，把背景變化的圖像看成是若干強度恒定的光照，然后去縱向比較差值大小。

　　方案仿真：

　　對于第n個(gè)探測單元掃描的第n行數據分別與第(n-1)行數據的同列數據作差，若所得結果超過(guò)所選取的臨界值，則對其number值加1。當對一探測單元的整行數據都做了上述處理之后所得的number值超出其他探測元的number值，則認定該探測元為盲元。仿真過(guò)程中選取的臨界值為90，并對三個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了掃描成像，得到的結果是第26、28探測元的number值很大，而其他探測元的number值基本為0，具體信息見(jiàn)表1。

3 盲元補償算法設計

　　本文的盲元補償算法采用對盲元周?chē)綔y元的像素值求均值的方法，對于線(xiàn)列探測器中單個(gè)盲元，補償方法為對盲元像素點(diǎn)上方和下方三個(gè)像素點(diǎn)的像素值求平均值;對于探測器含有連續兩個(gè)盲元的情況，兩個(gè)盲元分別用上方和下方三個(gè)像素點(diǎn)的像素值求平均值;對于探測器含有連續三個(gè)盲元的情況，首先對最上方的盲元用其上方的三個(gè)像素點(diǎn)的像素值求平均值，最下方的盲元用其下方的三個(gè)像素點(diǎn)的像素值求平均值，對于中間的盲元，我們選擇最上方盲元和其左右的兩個(gè)像素點(diǎn)以及最下方的盲元和其左右的兩個(gè)像素點(diǎn)的總和求平均值;對于探測器含四個(gè)盲元或更多的情況，其補償后的圖像效果依然不理想，因此認為這種情況的探測器質(zhì)量問(wèn)題嚴重，我們放棄補償。

4 算法驗證與實(shí)現

　　為驗證本文設計的盲元檢測和補償算法是否可行，作者使用Altera公司的綜合性PLD/FPGA軟件 Quartus II建立了工程文件，各模塊的功能和時(shí)序都驗證無(wú)誤后，進(jìn)行編譯，整個(gè)工程占用邏輯單元和存儲空間的比例分別為6%和18%。將編譯生成的project.pof文件通過(guò)AS下載電路下載到FPGA電路板中，下載界面如圖7所示。系統在室溫條件下采集了圖像，通過(guò)對比圖8-1和圖8-2，我們可以得出結論：本文的盲元檢測和補償算法很好地改善了系統的成像質(zhì)量。

5 總結

　　本文為改善紅外線(xiàn)列探測器的成像質(zhì)量，對當前普遍應用的盲元檢測和補償算法進(jìn)行了分析，通過(guò)比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結合本探測器的特點(diǎn)，設計了適合紅外線(xiàn)列探測器的盲元檢測和補償方案，并且編寫(xiě)程序完成了驗證。結果表明，本方案能很精確地檢測到盲元位置，并有效地對盲元進(jìn)行補償。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第55頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。