紅外線列探測器盲元檢測和補償算法研究

摘要：為提高紅外線列探測器盲元檢測精度，針對紅外線列探測器的響應(yīng)特點，設(shè)計了適用于本系統(tǒng)的盲元檢測和補償方案，根據(jù)本系統(tǒng)紅外線列探測器的特點，提出了一種在無標(biāo)定光照情況下的盲元檢測方法，通過仿真認(rèn)證，設(shè)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(dāng)今比較成熟的一種成像手段，具有很多可見光成像技術(shù)不具備的特點，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(yīng)“遲鈍”的單元，我們稱為盲元，這些盲元會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進(jìn)行適當(dāng)處理顯得尤為重要^[1]。

　　當(dāng)前比較成熟的解決途徑主要有兩種：第一種方法是從“根”上解決問題，即在紅外探測器的生產(chǎn)環(huán)節(jié)做努力，通過采用更前沿的制作工藝來提高探測器的質(zhì)量，盡可能不產(chǎn)生盲元。此種方法雖然徹底，但會耗費過高的成本，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，通過對探測器的成像特點進(jìn)行分析，檢測出盲元的位置，再進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

1 盲元檢測及補償方法

1.1 盲元的定義

　　1. 幾個基本概念

　　(1)探測元的響應(yīng)率

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

　　R(m,n)=Vs(m,n)/P

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

　　(2)平均響應(yīng)率

　　探測器的輸出響應(yīng)總值除以像元總數(shù)即得到探測元的平均響應(yīng)率。

　　(3)探測元的噪聲電壓

　　每個探測元的噪聲電壓的計算過程為先計算出所有探測元的平均響應(yīng)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

　　紅外探測器的盲元分為兩類^[2]，一類是“過熱”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(shù)的探測元(通常定為10倍); 另一類是“死”盲元，其定義為探測元的響應(yīng)率與平均響應(yīng)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(dāng)前主流的盲元檢測算法分為兩類：一是通過分析盲元周圍像素點的關(guān)聯(lián)性來定位盲元的位置，這種算法能保證精確性，但無法保證現(xiàn)場及時檢測;二是直接使用附近像素點的具體信息，在最短的時間內(nèi)找出那些差距較大的探測元^[3]，從而達(dá)到隨時隨地檢測并補償盲元的目的。其實現(xiàn)過程需要界定一個臨界值，大于該臨界值的認(rèn)為是盲元。因此臨界值的選取是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其值太大會導(dǎo)致盲元漏檢，太小則將正常探測元也認(rèn)定為盲元。有的文獻(xiàn)(例如參考文獻(xiàn)[4])提出的算法以待檢測探測元為中心選取一個滑動窗口，通過計算中心探測元探測值與窗口內(nèi)探測元的差值來判斷其是否為盲元，其缺點是計算過程較為復(fù)雜。

　　當(dāng)前應(yīng)用較多的盲元補償算法主要有：一是對盲元周圍的像素點按一定公式進(jìn)行運算，用得到的值去替代盲元點的值;二是查找出噪聲電壓較大的像素點，再通過排序法找到這些像素值的中間值，用其替代前者。另外還可以利用線性函數(shù)數(shù)量關(guān)系進(jìn)行盲元補償^[5]。

2.本系統(tǒng)的盲元檢測及補償算法設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計介紹

　　1. 紅外線列探測器單元介紹

　　本系統(tǒng)的紅外探測器單元由128元紅外探測器和數(shù)據(jù)預(yù)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(fù)位信號，Vref為芯片的偏置電壓，Out_data為輸出的紅外數(shù)據(jù)。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有效位，功耗小于120mW， 集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度為8位，芯片內(nèi)的探測元排列順序采用奇偶行分開的方式，如圖2所示，這種方式可解決芯片的輸出數(shù)據(jù)與實際場景的真實位置無法做到對應(yīng)的問題。

　　2.FPGA控制面板

　　FPGA控制面板是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將控制參數(shù)發(fā)送給紅外探測器，并將探測器的輸出數(shù)據(jù)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(nèi)部邏輯單元數(shù)為20060個，RAM存儲容量為288kB，為系統(tǒng)的程序開發(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(jié)的片上RAM和4000字節(jié)的FIFO存儲器，為紅外數(shù)據(jù)緩存提供了充足空間。

2.2 盲元檢測方案

　　本文盲元檢測的實現(xiàn)過程如圖3所示，紅外線列探測器對準(zhǔn)均勻光進(jìn)行均勻掃描，輸出探測數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)累加器把探測單元輸出的像素值進(jìn)行累加再除以行數(shù)，求出該探測元響應(yīng)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個探測元平均響應(yīng)值的中值，再用其他n-1個探測元的平均值依次去減該中值，然后選擇一個適中的臨界值，如果差值超過臨界值，則在其盲元判定存儲器中做好標(biāo)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個探測元的輸出響應(yīng)值的平均值，用中值濾波法求出它們當(dāng)中的中值，再把輸出響應(yīng)值分別與此中值進(jìn)行比較，偏差大于閾值百分比的認(rèn)定為盲元。mdf_a11_reg1-mdf_a33_reg1為盲元判定標(biāo)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(yīng)數(shù)據(jù)每n個為一組，傳送到盲元檢測單元，輸出即為探測器的盲元檢測結(jié)果。

2.3 采集現(xiàn)場的盲元檢測

　　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，可能會形成新盲元，在非實驗室環(huán)境下又無法找到均勻光環(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?yán)妹ぴǔｍ憫?yīng)過大或者沒有輸出響應(yīng)的特點，對一個背景多樣的場景進(jìn)行成像，若探測元為盲元，其輸出響應(yīng)值會在一個很小的范圍內(nèi)浮動，所以，我們可以通過計算同一探測元的輸出數(shù)據(jù)的變動幅度，求出其NU值^[6]，即非均勻性。若其值比選取的臨界值小，則認(rèn)為該探測元為盲元。

　　方案仿真：

　　對該系統(tǒng)所用的紅外線列探測器的輸出圖像用matlab進(jìn)行處理，通過上述求單個探測單元行響應(yīng)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(tǒng)所用的紅外線列探測器的所有探測元的輸出值進(jìn)行了統(tǒng)計，為便于觀察，特繪制輸出響應(yīng)曲線，如圖6所示。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，大部分探測元的輸出響應(yīng)比較集中，呈近線性規(guī)律，而輸出不規(guī)律的探測元并沒有像通常的盲元那樣響應(yīng)過強或很弱，而是在光照從零到一定范圍增大時沒有輸出響應(yīng)，當(dāng)超過這個范圍時響應(yīng)也隨光照正確而變大，基于這種特性，上述方法不能準(zhǔn)確檢測出盲元的位置。

　　通過上述分析我們不難得到這樣的結(jié)論：本系統(tǒng)所用的紅線線列探測器含有的特殊“盲元”需要通過特殊方法查找到。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個探測單元掃描的第n行數(shù)據(jù)分別與第(n-1)行數(shù)據(jù)的同列數(shù)據(jù)作差，若所得結(jié)果超過所選取的臨界值，則對其number值加1。當(dāng)對一探測單元的整行數(shù)據(jù)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(rèn)定該探測元為盲元。仿真過程中選取的臨界值為90，并對三個場景進(jìn)行了掃描成像，得到的結(jié)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，具體信息見表1。

3 盲元補償算法設(shè)計

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

4 算法驗證與實現(xiàn)

　　為驗證本文設(shè)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，各模塊的功能和時序都驗證無誤后，進(jìn)行編譯，整個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AS下載電路下載到FPGA電路板中，下載界面如圖7所示。系統(tǒng)在室溫條件下采集了圖像，通過對比圖8-1和圖8-2，我們可以得出結(jié)論：本文的盲元檢測和補償算法很好地改善了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

5 總結(jié)

　　本文為改善紅外線列探測器的成像質(zhì)量，對當(dāng)前普遍應(yīng)用的盲元檢測和補償算法進(jìn)行了分析，通過比較它們的優(yōu)缺點，結(jié)合本探測器的特點，設(shè)計了適合紅外線列探測器的盲元檢測和補償方案，并且編寫程序完成了驗證。結(jié)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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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。