一種兩點(diǎn)校正紅外熱像儀的非均勻性的模塊及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外熱成像系統(tǒng)的非均勻性校正領(lǐng)域，特別是一種兩點(diǎn)校正紅外熱像 儀的非均勻性的模塊及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過(guò)去的幾十年中，紅外探測(cè)器件的元數(shù)不斷增加，由單元發(fā)展到線列，由線列發(fā) 展到焦平面陣列（FPA)。紅外焦平面陣列探測(cè)器的出現(xiàn)，是紅外成像史上一個(gè)劃時(shí)代的革 命，它大幅提高了紅外成像系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。作為現(xiàn)代紅外系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)的關(guān) 鍵部件，凝視型紅外焦平面陣列（IRFPA)器件成本低廉，體積小，無(wú)需制冷，目前已在軍事 (紅外跟蹤、預(yù)警、制導(dǎo)）、醫(yī)療、安全等方面得到廣泛應(yīng)用，用它構(gòu)成的紅外成像系統(tǒng)較傳 統(tǒng)的光機(jī)掃描紅外成像系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、靈敏度高、噪聲等效溫差（NETD)小 等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 然而，受紅外探測(cè)器材料和工藝方面的影響，紅外焦平面陣列的非均勻性問(wèn)題成 為長(zhǎng)期以來(lái)制約其應(yīng)用的根本問(wèn)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(cè)器各像元的紅外響應(yīng)度不一致導(dǎo)致其視頻輸出幅度不同，造成像質(zhì)降 低，又稱空間噪聲；更進(jìn)一步意義上的非均勻性還包括由焦平面陣列所處環(huán)境的溫度變化、 電荷傳輸效率、Ι/f噪聲（電流噪聲）、無(wú)效探測(cè)元（壞元）以及紅外光學(xué)系統(tǒng)等諸多因素 所造成的成像質(zhì)量的下降。這種固定的圖像噪聲，使紅外成像系統(tǒng)的溫度分辨率下降，圖像 質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。因此，必須對(duì)紅外焦平面陣列進(jìn)行非均勻性校正。
[0004] 目前普遍采用后期算法處理來(lái)補(bǔ)償空間非均勻性。總起來(lái)說(shuō)，可以將這些技術(shù)分 為二大類，即基于定標(biāo)和基于場(chǎng)景的非均勻性校正技術(shù)。最初開(kāi)發(fā)使用的是基于定標(biāo)的非 均勻性校正技術(shù)，其中較為成熟的方法是基于探測(cè)元的單點(diǎn)、兩點(diǎn)及多點(diǎn)定標(biāo)算法，它們以 普朗克輻射定律和紅外探測(cè)元的線性響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于成像系統(tǒng)之中。 近年來(lái)，各種基于場(chǎng)景的非均勻性校正技術(shù)也不斷涌現(xiàn)，以彌補(bǔ)溫漂現(xiàn)象，避開(kāi)定標(biāo)過(guò)程； 但在面臨極端場(chǎng)景，如場(chǎng)景靜止、鏡頭旋轉(zhuǎn)或反差極大的場(chǎng)景反復(fù)切換時(shí)，校正效果會(huì)大幅 退化，甚至無(wú)法觀察；另外，受限于現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件水平，只能用于軟件仿真或后續(xù) 處理，還無(wú)法做到實(shí)時(shí)，實(shí)際應(yīng)用尚不成熟。比較而言，基于定標(biāo)的非均勻性校正更為精確， 對(duì)于場(chǎng)景和目標(biāo)沒(méi)有特殊要求，硬件易于實(shí)現(xiàn)和集成，是紅外焦平面陣列系統(tǒng)公認(rèn)的評(píng)估 手段。
[0005] 為獲得更高的幀頻和更好的圖像質(zhì)量，紅外熱像儀的探測(cè)器和外部存儲(chǔ)器設(shè)備不 斷更新?lián)Q代，每次系統(tǒng)架構(gòu)升級(jí)都必須重新編寫(xiě)兩點(diǎn)校正的處理程序，進(jìn)行了大量重復(fù)性 工作，延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種兩點(diǎn)校正紅外熱像儀的非均勻性的模塊及方法，結(jié)合 FPGA+外部存儲(chǔ)器的系統(tǒng)構(gòu)架，使熱像儀在實(shí)際使用過(guò)程中滿足在線定標(biāo)和實(shí)時(shí)校正的要 求。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種兩點(diǎn)校正紅外熱像儀的非均勻性的模 塊，包括數(shù)據(jù)格式調(diào)整模塊、串口指令解析模塊、定標(biāo)控制模塊、加權(quán)平均運(yùn)算模塊、外部存 儲(chǔ)器仲裁控制模塊、第一 FIFO緩沖區(qū)、第二FIFO緩沖區(qū)、求均值模塊、并轉(zhuǎn)串及FLASH控制 器、、內(nèi)部寄存器、兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊、兩點(diǎn)校正模塊和壞元替代模塊。
[0008] 加權(quán)平均運(yùn)算模塊分別與串口指令解析模塊、定標(biāo)控制模塊和外部存儲(chǔ)器仲裁 控制模塊連接，外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊分別與串口指令解析模塊、定標(biāo)控制模塊、第二 FIFO緩沖區(qū)、求均值模塊和兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊連接，定標(biāo)控制模塊分別與數(shù)據(jù)格式調(diào)整模 塊和串口指令解析模塊連接，兩點(diǎn)校正模塊分別與串口指令解析模塊、第一 FIFO緩沖區(qū)、 兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊和壞元替代模塊連接，并轉(zhuǎn)串及FLASH控制器與第二FIFO緩沖區(qū)連接， 數(shù)據(jù)格式調(diào)整模塊與第一 FIFO緩沖區(qū)連接，兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊與壞元替代模塊連接，外部 存儲(chǔ)器仲裁控制模塊再外接外部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊、求均值模塊、并轉(zhuǎn)串及 FLASH控制器和內(nèi)部寄存器分別外接串行FLASH。
[0009] 數(shù)據(jù)格式調(diào)整模塊把紅外熱像儀的探測(cè)器采集的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)， 即當(dāng)前幀A，并送到定標(biāo)控制模塊和第一 FIFO緩沖區(qū)；把紅外熱像儀的探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)低溫黑 體，串口指令解析模塊對(duì)上位機(jī)的定標(biāo)命令進(jìn)行解析，并把得到的累加幀數(shù)p和存低溫使 能送入定標(biāo)控制模塊，權(quán)值參數(shù)q送入加權(quán)平均運(yùn)算模塊；定標(biāo)控制模塊控制當(dāng)前幀A送到 加權(quán)平均運(yùn)算模塊進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算，發(fā)送讀寫(xiě)指令給外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊，在外部 存儲(chǔ)器中讀出存儲(chǔ)幀B并寫(xiě)入均值幀C，循環(huán)迭代p次后，最終的均值幀C低溫定標(biāo)圖像L。 [0010] 外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊接收各讀寫(xiě)指令，對(duì)它們?cè)跁r(shí)間上進(jìn)行安排，發(fā)送讀寫(xiě) 請(qǐng)求、地址和數(shù)據(jù)給外部存儲(chǔ)器，控制外部存儲(chǔ)器依次循環(huán)響應(yīng)各讀寫(xiě)指令；再把紅外熱像 儀的探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)高溫黑體，重復(fù)上述過(guò)程，得到高溫定標(biāo)圖像Η ;串口指令解析模塊發(fā)送寫(xiě) FLASH使能信號(hào)給外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊，從外部存儲(chǔ)器中同時(shí)讀出低溫定標(biāo)圖像L和 高溫定標(biāo)圖像H，分別送入求均值模塊和第二FIFO緩沖區(qū)；求均值模塊分別求出低溫定標(biāo) 圖像L的均值￡和高溫定標(biāo)圖像Η的均值謹(jǐn)，并把它們存入串行FLASH的用戶區(qū)域；第二 FIFO緩沖區(qū)用來(lái)實(shí)現(xiàn)速率匹配，緩沖后的數(shù)據(jù)送入并轉(zhuǎn)串及FLASH控制器；并轉(zhuǎn)串及FLASH 控制器完成對(duì)串行FLASH的配置，把低溫定標(biāo)圖像L和高溫定標(biāo)圖像Η轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，依 次順序?qū)懭氪蠪LASH用戶區(qū)域，至此定標(biāo)操作完成。
[0011] 系統(tǒng)重新上電后，自動(dòng)從串彳丁 FLASH中依次讀出低溫定標(biāo)圖像L和1?溫定標(biāo)圖像 Η并送至外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊，由其寫(xiě)入外部存儲(chǔ)器指定位置；串行FLASH自動(dòng)讀出低 溫定標(biāo)圖像的均值:￡和高溫定標(biāo)圖像的均值:麗:存入內(nèi)部寄存器中；當(dāng)一幀標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)到達(dá)第 一 FIFO緩沖區(qū)時(shí)，就通過(guò)外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊同時(shí)讀出低溫定標(biāo)圖像L和高溫定標(biāo)圖 像H，從內(nèi)部寄存器中讀出低溫定標(biāo)圖像的均值S和高溫定標(biāo)圖像的均值H一起送到兩點(diǎn) 參數(shù)計(jì)算模塊，通過(guò)兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊計(jì)算得到增益校正系數(shù)K和偏置校正系數(shù)B，并將增 益校正系數(shù)K和偏置校正系數(shù)B送入兩點(diǎn)校正模塊進(jìn)行校正，得到校正后的圖像Y，若增益 校正系數(shù)K和偏置校正系數(shù)B的值超過(guò)設(shè)定的閾值，就把壞元標(biāo)志位置為1，否則置為0,壞 元標(biāo)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(cè) 壞元標(biāo)志位，一旦發(fā)現(xiàn)為1，就把該處對(duì)應(yīng)的像素值用緩存的前面一個(gè)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(qū)起到數(shù)據(jù)同步的作用，把標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、增益校正系數(shù)K和偏置校正 系數(shù)B對(duì)齊，一起送入兩點(diǎn)校正模塊。
[0013] 上述加權(quán)平均運(yùn)算模塊的加權(quán)平均運(yùn)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(diǎn)參數(shù)計(jì)算模塊的兩點(diǎn)參數(shù)計(jì)算公式為：
[0017]
[0018] 兩點(diǎn)校正模塊的兩點(diǎn)校正公式為：
[0019] Y = K · X+B
[0020] X代表數(shù)據(jù)格式調(diào)整模塊輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
[0021] -種兩點(diǎn)校正紅外熱像儀的非均勻性的方法，步驟如下：
[0022] 步驟1)進(jìn)行在線定標(biāo)，獲得低溫定標(biāo)圖像L和高溫定標(biāo)圖像Η :
[0023] 步驟1-1)數(shù)據(jù)格式調(diào)整模塊接收紅外熱像儀獲得的實(shí)時(shí)紅外視頻序列，即當(dāng)前 幀Α，將紅外熱像儀的探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)低溫黑體，利用串口設(shè)置權(quán)值參數(shù)q和累加幀數(shù)ρ，ρ范圍 為0, 1，2, 3··· 1024, q范圍為0, 1，2, 3··· 1024,并給出存儲(chǔ)低溫圖像的使能信號(hào)，串口指令解 析模塊接收到該低溫圖像使能信號(hào)后，由定標(biāo)控制模塊控制外部存儲(chǔ)器仲裁控制模塊在外 部存儲(chǔ)器內(nèi)存入一幅圖像，即存儲(chǔ)幀B，然后從外部存儲(chǔ)器讀出存儲(chǔ)幀B，在加權(quán)平均運(yùn)算 模塊中將當(dāng)前幀A和存儲(chǔ)幀B對(duì)應(yīng)位置的每一個(gè)像素采集值進(jìn)行加權(quán)平均，公式為：