紅外線列探測(cè)器盲元檢測(cè)和補(bǔ)償算法研究

摘要：為提高紅外線列探測(cè)器盲元檢測(cè)精度，針對(duì)紅外線列探測(cè)器的響應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于本系統(tǒng)的盲元檢測(cè)和補(bǔ)償方案，根據(jù)本系統(tǒng)紅外線列探測(cè)器的特點(diǎn)，提出了一種在無(wú)標(biāo)定光照情況下的盲元檢測(cè)方法，通過(guò)仿真認(rèn)證，設(shè)計(jì)方案具有很高的盲元檢測(cè)精度，能較理想地對(duì)盲元進(jìn)行補(bǔ)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(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(cè)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(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(duì)其探測(cè)出的像素點(diǎn)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(wèn)題，即在紅外探測(cè)器的生產(chǎn)環(huán)節(jié)做努力，通過(guò)采用更前沿的制作工藝來(lái)提高探測(cè)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(fèi)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(cè)器生產(chǎn)之后做后期的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)探測(cè)器的成像特點(diǎn)進(jìn)行分析，檢測(cè)出盲元的位置，再進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

1 盲元檢測(cè)及補(bǔ)償方法

1.1 盲元的定義

　　1. 幾個(gè)基本概念

　　(1)探測(cè)元的響應(yīng)率

　　探測(cè)元的響應(yīng)率是指用單位輻射功率照射探測(cè)單元所得到的響應(yīng)電壓信號(hào)，其計(jì)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(cè)元所得到的輸出響應(yīng)，R(m,n)是指探測(cè)元響應(yīng)率。

　　(2)平均響應(yīng)率

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

　　(3)探測(cè)元的噪聲電壓

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

　　(4)平均噪聲電壓

　　所有探測(cè)元的輸出信號(hào)的方差即為平均噪聲電壓。

2.盲元的分類

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

1.2 通常的盲元檢測(cè)和盲元補(bǔ)償算法

　　當(dāng)前主流的盲元檢測(cè)算法分為兩類：一是通過(guò)分析盲元周圍像素點(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(xiàn)場(chǎng)及時(shí)檢測(cè);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(nèi)找出那些差距較大的探測(cè)元^[3]，從而達(dá)到隨時(shí)隨地檢測(cè)并補(bǔ)償盲元的目的。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要界定一個(gè)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(huì)導(dǎo)致盲元漏檢，太小則將正常探測(cè)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(cè)探測(cè)元為中心選取一個(gè)滑動(dòng)窗口，通過(guò)計(jì)算中心探測(cè)元探測(cè)值與窗口內(nèi)探測(cè)元的差值來(lái)判斷其是否為盲元，其缺點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

　　當(dāng)前應(yīng)用較多的盲元補(bǔ)償算法主要有：一是對(duì)盲元周圍的像素點(diǎn)按一定公式進(jìn)行運(yùn)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。另外還可以利用線性函數(shù)數(shù)量關(guān)系進(jìn)行盲元補(bǔ)償^[5]。

2.本系統(tǒng)的盲元檢測(cè)及補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)介紹

　　1. 紅外線列探測(cè)器單元介紹

　　本系統(tǒng)的紅外探測(cè)器單元由128元紅外探測(cè)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(hào)，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(gè)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(cè)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(shù)據(jù)與實(shí)際場(chǎng)景的真實(shí)位置無(wú)法做到對(duì)應(yīng)的問(wèn)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(cè)器，并將探測(cè)器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后傳送到上位機(jī)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(gè)，RAM存儲(chǔ)容量為288kB，為系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)提供了充足的的邏輯單元和存儲(chǔ)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(chǔ)器，為紅外數(shù)據(jù)緩存提供了充足空間。

2.2 盲元檢測(cè)方案

　　本文盲元檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示，紅外線列探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)均勻光進(jìn)行均勻掃描，輸出探測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)累加器把探測(cè)單元輸出的像素值進(jìn)行累加再除以行數(shù)，求出該探測(cè)元響應(yīng)值的平均值。對(duì)剩余的探測(cè)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(cè)元平均響應(yīng)值的中值，再用其他n-1個(gè)探測(cè)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(chǔ)器中做好標(biāo)記，反之，則是正常元。

　　使用Modelsim軟件對(duì)該方案的verilog程序進(jìn)行仿真，圖4為盲元檢測(cè)單元的輸出波形。mdf_a11-mdf_a33分別為輸入的n個(gè)探測(cè)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(cè)的整體仿真輸出波形，將探測(cè)到的紅外響應(yīng)數(shù)據(jù)每n個(gè)為一組，傳送到盲元檢測(cè)單元，輸出即為探測(cè)器的盲元檢測(cè)結(jié)果。

2.3 采集現(xiàn)場(chǎng)的盲元檢測(cè)

　　常用的盲元檢測(cè)方法需要兩束均勻光，而探測(cè)器由于受到外界影響，可能會(huì)形成新盲元，在非實(shí)驗(yàn)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(cè)。對(duì)此，我們嘗試?yán)妹ぴǔｍ憫?yīng)過(guò)大或者沒(méi)有輸出響應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)一個(gè)背景多樣的場(chǎng)景進(jìn)行成像，若探測(cè)元為盲元，其輸出響應(yīng)值會(huì)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)浮動(dòng)，所以，我們可以通過(guò)計(jì)算同一探測(cè)元的輸出數(shù)據(jù)的變動(dòng)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(cè)元為盲元。

　　方案仿真：

　　對(duì)該系統(tǒng)所用的紅外線列探測(cè)器的輸出圖像用matlab進(jìn)行處理，通過(guò)上述求單個(gè)探測(cè)單元行響應(yīng)值的NU值的方法，掃描不同的圖像，同一探測(cè)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(cè)器的所有探測(cè)元的輸出值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，為便于觀察，特繪制輸出響應(yīng)曲線，如圖6所示。通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，大部分探測(cè)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(cè)元并沒(méi)有像通常的盲元那樣響應(yīng)過(guò)強(qiáng)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(yīng)，當(dāng)超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)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(cè)出盲元的位置。

　　通過(guò)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(cè)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(qiáng)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(qiáng)度恒定的光照，然后去縱向比較差值大小。

　　方案仿真：

　　對(duì)于第n個(gè)探測(cè)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(guò)所選取的臨界值，則對(duì)其number值加1。當(dāng)對(duì)一探測(cè)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(cè)元的number值，則認(rèn)定該探測(cè)元為盲元。仿真過(guò)程中選取的臨界值為90，并對(duì)三個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行了掃描成像，得到的結(jié)果是第26、28探測(cè)元的number值很大，而其他探測(cè)元的number值基本為0，具體信息見(jiàn)表1。

3 盲元補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

　　本文的盲元補(bǔ)償算法采用對(duì)盲元周圍探測(cè)元的像素值求均值的方法，對(duì)于線列探測(cè)器中單個(gè)盲元，補(bǔ)償方法為對(duì)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(duì)于探測(cè)器含有連續(xù)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(duì)于探測(cè)器含有連續(xù)三個(gè)盲元的情況，首先對(duì)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(duì)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(duì)于探測(cè)器含四個(gè)盲元或更多的情況，其補(bǔ)償后的圖像效果依然不理想，因此認(rèn)為這種情況的探測(cè)器質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重，我們放棄補(bǔ)償。

4 算法驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)

　　為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的盲元檢測(cè)和補(bǔ)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(yàn)證無(wú)誤后，進(jìn)行編譯，整個(gè)工程占用邏輯單元和存儲(chǔ)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(tǒng)在室溫條件下采集了圖像，通過(guò)對(duì)比圖8-1和圖8-2，我們可以得出結(jié)論：本文的盲元檢測(cè)和補(bǔ)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(cè)器的成像質(zhì)量，對(duì)當(dāng)前普遍應(yīng)用的盲元檢測(cè)和補(bǔ)償算法進(jìn)行了分析，通過(guò)比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本探測(cè)器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合紅外線列探測(cè)器的盲元檢測(cè)和補(bǔ)償方案，并且編寫(xiě)程序完成了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本方案能很精確地檢測(cè)到盲元位置，并有效地對(duì)盲元進(jìn)行補(bǔ)償。

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本文來(lái)源于中國(guó)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。