一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外热成像系统的非均匀性校正领域，特别是一种两点校正红外热像 仪的非均匀性的模块及方法。
【背景技术】
[0002] 在过去的几十年中，红外探测器件的元数不断增加，由单元发展到线列，由线列发 展到焦平面阵列（FPA)。红外焦平面阵列探测器的出现，是红外成像史上一个划时代的革 命，它大幅提高了红外成像系统的灵敏度和可靠性。作为现代红外系统和热成像系统的关 键部件，凝视型红外焦平面阵列（IRFPA)器件成本低廉，体积小，无需制冷，目前已在军事 (红外跟踪、预警、制导）、医疗、安全等方面得到广泛应用，用它构成的红外成像系统较传 统的光机扫描红外成像系统具有结构简单、工作稳定、灵敏度高、噪声等效温差（NETD)小 等优点。
[0003] 然而，受红外探测器材料和工艺方面的影响，红外焦平面阵列的非均匀性问题成 为长期以来制约其应用的根本问题。一般意义上的非均匀性是指红外焦平面阵列在同一 均匀辐射下由于探测器各像元的红外响应度不一致导致其视频输出幅度不同，造成像质降 低，又称空间噪声；更进一步意义上的非均匀性还包括由焦平面阵列所处环境的温度变化、 电荷传输效率、Ι/f噪声（电流噪声）、无效探测元（坏元）以及红外光学系统等诸多因素 所造成的成像质量的下降。这种固定的图像噪声，使红外成像系统的温度分辨率下降，图像 质量受到严重影响。因此，必须对红外焦平面阵列进行非均匀性校正。
[0004] 目前普遍采用后期算法处理来补偿空间非均匀性。总起来说，可以将这些技术分 为二大类，即基于定标和基于场景的非均匀性校正技术。最初开发使用的是基于定标的非 均匀性校正技术，其中较为成熟的方法是基于探测元的单点、两点及多点定标算法，它们以 普朗克辐射定律和红外探测元的线性响应模型为基础，现阶段广泛应用于成像系统之中。 近年来，各种基于场景的非均匀性校正技术也不断涌现，以弥补温漂现象，避开定标过程； 但在面临极端场景，如场景静止、镜头旋转或反差极大的场景反复切换时，校正效果会大幅 退化，甚至无法观察；另外，受限于现有的系统结构和硬件水平，只能用于软件仿真或后续 处理，还无法做到实时，实际应用尚不成熟。比较而言，基于定标的非均匀性校正更为精确， 对于场景和目标没有特殊要求，硬件易于实现和集成，是红外焦平面阵列系统公认的评估 手段。
[0005] 为获得更高的帧频和更好的图像质量，红外热像仪的探测器和外部存储器设备不 断更新换代，每次系统架构升级都必须重新编写两点校正的处理程序，进行了大量重复性 工作，延长了开发周期。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模块及方法，结合 FPGA+外部存储器的系统构架，使热像仪在实际使用过程中满足在线定标和实时校正的要 求。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种两点校正红外热像仪的非均匀性的模 块，包括数据格式调整模块、串口指令解析模块、定标控制模块、加权平均运算模块、外部存 储器仲裁控制模块、第一 FIFO缓冲区、第二FIFO缓冲区、求均值模块、并转串及FLASH控制 器、、内部寄存器、两点参数计算模块、两点校正模块和坏元替代模块。
[0008] 加权平均运算模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块和外部存储器仲裁 控制模块连接，外部存储器仲裁控制模块分别与串口指令解析模块、定标控制模块、第二 FIFO缓冲区、求均值模块和两点参数计算模块连接，定标控制模块分别与数据格式调整模 块和串口指令解析模块连接，两点校正模块分别与串口指令解析模块、第一 FIFO缓冲区、 两点参数计算模块和坏元替代模块连接，并转串及FLASH控制器与第二FIFO缓冲区连接， 数据格式调整模块与第一 FIFO缓冲区连接，两点参数计算模块与坏元替代模块连接，外部 存储器仲裁控制模块再外接外部存储器，外部存储器仲裁控制模块、求均值模块、并转串及 FLASH控制器和内部寄存器分别外接串行FLASH。
[0009] 数据格式调整模块把红外热像仪的探测器采集的原始数据转化为标准格式数据， 即当前帧A，并送到定标控制模块和第一 FIFO缓冲区；把红外热像仪的探测器对准低温黑 体，串口指令解析模块对上位机的定标命令进行解析，并把得到的累加帧数p和存低温使 能送入定标控制模块，权值参数q送入加权平均运算模块；定标控制模块控制当前帧A送到 加权平均运算模块进行加权平均运算，发送读写指令给外部存储器仲裁控制模块，在外部 存储器中读出存储帧B并写入均值帧C，循环迭代p次后，最终的均值帧C低温定标图像L。 [0010] 外部存储器仲裁控制模块接收各读写指令，对它们在时间上进行安排，发送读写 请求、地址和数据给外部存储器，控制外部存储器依次循环响应各读写指令；再把红外热像 仪的探测器对准高温黑体，重复上述过程，得到高温定标图像Η ;串口指令解析模块发送写 FLASH使能信号给外部存储器仲裁控制模块，从外部存储器中同时读出低温定标图像L和 高温定标图像H，分别送入求均值模块和第二FIFO缓冲区；求均值模块分别求出低温定标 图像L的均值￡和高温定标图像Η的均值謹，并把它们存入串行FLASH的用户区域；第二 FIFO缓冲区用来实现速率匹配，缓冲后的数据送入并转串及FLASH控制器；并转串及FLASH 控制器完成对串行FLASH的配置，把低温定标图像L和高温定标图像Η转化为串行数据，依 次顺序写入串行FLASH用户区域，至此定标操作完成。
[0011] 系统重新上电后，自动从串彳丁 FLASH中依次读出低温定标图像L和1?温定标图像 Η并送至外部存储器仲裁控制模块，由其写入外部存储器指定位置；串行FLASH自动读出低 温定标图像的均值:￡和高温定标图像的均值:麗:存入内部寄存器中；当一帧标准数据到达第 一 FIFO缓冲区时，就通过外部存储器仲裁控制模块同时读出低温定标图像L和高温定标图 像H，从内部寄存器中读出低温定标图像的均值S和高温定标图像的均值H一起送到两点 参数计算模块，通过两点参数计算模块计算得到增益校正系数K和偏置校正系数B，并将增 益校正系数K和偏置校正系数B送入两点校正模块进行校正，得到校正后的图像Y，若增益 校正系数K和偏置校正系数B的值超过设定的阈值，就把坏元标志位置为1，否则置为0,坏 元标志位送入坏元替代模块；将校正后的图像Y再送入坏元替代模块，坏元替代模块检测 坏元标志位，一旦发现为1，就把该处对应的像素值用缓存的前面一个的像素值替换，至此 校正处理完成，将得到的最终图像输出。
[0012] 第一 FIFO缓冲区起到数据同步的作用，把标准数据、增益校正系数K和偏置校正 系数B对齐，一起送入两点校正模块。
[0013] 上述加权平均运算模块的加权平均运算公式为：
[0014]
[0015] 其中C为均值帧，即单次取平均得到的一帧图像。
[0016] 两点参数计算模块的两点参数计算公式为：
[0017]
[0018] 两点校正模块的两点校正公式为：
[0019] Y = K · X+B
[0020] X代表数据格式调整模块输出的标准数据。
[0021] -种两点校正红外热像仪的非均匀性的方法，步骤如下：
[0022] 步骤1)进行在线定标，获得低温定标图像L和高温定标图像Η :
[0023] 步骤1-1)数据格式调整模块接收红外热像仪获得的实时红外视频序列，即当前 帧Α，将红外热像仪的探测器对准低温黑体，利用串口设置权值参数q和累加帧数ρ，ρ范围 为0, 1，2, 3··· 1024, q范围为0, 1，2, 3··· 1024,并给出存储低温图像的使能信号，串口指令解 析模块接收到该低温图像使能信号后，由定标控制模块控制外部存储器仲裁控制模块在外 部存储器内存入一幅图像，即存储帧B，然后从外部存储器读出存储帧B，在加权平均运算 模块中将当前帧A和存储帧B对应位置的每一个像素采集值进行加权平均，公式为：