专利名称：用于红外焦平面探测器非均匀性校正的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于红外焦平面成像系统的非均匀性测量、校正的方法和装置。
进行非均匀性校正，一般包含以下三步首先是精确测量各探测单元的响应特性；然后在此基础上确定校正算法，计算校正系数；最后将校正系数提供给硬件处理模块，从而完成实时校正功能。
为测量红外成像系统非均匀性，通常使用标准面源黑体作为测量辐射源，通过改变黑体源的辐射强度，测量红外热成像系统响应的信号输出，从而获得系统响应的非均匀性曲线，而要取得良好的非均匀性校正效果，需采集针对两点以上辐射强度的系统响应数据。目前在系统实现中采用的方法有一是通过实验室测试装置进行测量，它难以满足系统现场校正定标的要求；二是在系统光路中安置两个不同强度的标准辐射源(冷、热黑体)用于现场的测量标定，它增加了系统设计的复杂程度。
本发明的另一目的，是提供一种现场校正红外焦平面的探测器非均匀性的装置。
为实现上述目的，本发明方法包括以下步骤(1)提供单一恒定红外面辐射源；(2)测量探测器的响应曲线；(3)确定校正算法，并计算校正系数；(4)进行校正。
根据本发明的特征，所述的测量探测器的响应曲线还包括控制探测器的光学积分时间的步骤；所述的控制探测器的光学积分时间包括以下步骤(1)设置最小积分时间；(2)按一定步长增加积分时间。
本发明用于红外焦平面探测器非均匀性校正的装置，包括红外辐射源；光学系统，用于将红外辐射源在焦平面成像；测量控制装置，用于测量红外焦平面探测器的响应曲线；数据处理装置；其特征在于，所述的红外辐射源，只包括一个恒定红外面辐射源；所述的测量控制装置，包括一个可精确调整积分时间的定时模块，由系统微处理器控制，从而在测量探测器的响应曲线时控制探测器的积分时间。
图2是红外焦平面成像系统非均匀性校正原理框图。
图3是本发明非均匀性校正装置积分定时模块功能示意图。
图4是积分定时模块电路原理图。
本发明的一个显著特点，就是在红外成像系统非均匀性测量中，只需要提供一个恒定的红外辐射源。要做到这一点，本发明通过精确控制焦平面探测器的光学积分时间来控制入射到焦平面上的辐射能量，并测量系统在不同入射能量情况下的反应曲线，从而实现系统的非均匀性校正。
为此，在本发明红外成像系统设计中，采用微处理器控制电路，并在电路中增加一可精确调整探测器积分时间的定时模块，通过微处理器控制积分时间，从而测出系统各探测单元的响应曲线。
图2显示本发明红外焦平面成像系统非均匀性校正框图。由图可知，一黑体面源的红外辐射，经光学系统成像于焦平面上并为探测器所接收，接收的信号经模数转换而进入校正电路，如两点线性校正数字电路，校正后的数据作为图像桢数据被存储。另外，图2还显示，探测器对红外辐射的接收受到积分时间精确定时控制模块的控制，而整个系统的监控和处理则由微处理器来完成，也即它控制定时模块进行测量控制，控制校正电路进行系数修正，并对存储的图像帧数据作数据分析。
本发明的关键，在于精确定时积分模块的设计，图3给出了其原理示意框图。一晶振时钟，产生例如20MHz的时钟信号，并经分频计数器，例如4分频后最终产生5MHz的输出时钟，另外，由帧频计数定时器以及积分计数定时器产生形成积分脉冲，该积分脉冲鉴于帧频计数定时器和积分计数定时器分别受到时钟分频计数器的输出控制，显然与上述输出的时钟相关联，并一起送往红外辐射焦平面上的器件，此外，上述帧频计数定时器和积分计数定时器还受到经由总线与微处理器相连的微处理器接口缓冲单元所控制，因此，最终可通过微处理器来实现对积分时间的控制。
图4给出了本发明精确定时模块的电路实施例图，其中采用8253定时器，8253提供3个16位的计数器，本发明设计采用了其中的2个，T0用于帧频计数，T1用于积分时间计数，而计数初值均可通过微处理器接口进行修改。
上述的用微处理器来控制积分时间，具体地，可通过微处理器的软件编程来实现。作为例子，以下给出本发明非均匀性测量和校正系数计算的软件流程A.初始化处理硬件；B.设置积分时间为探测器最小积分时间(～20μs)；C.采集N帧(N＞5)图像数据，并进行数据平滑；D.逐步增加积分时间，步长可取100μs～500μs；E.重复步骤C、D，直至图像数据饱和；F.根据记录的图像数据计算探测器的响应曲线，通常采用线性拟合或多项式校正算法。线性拟合即采用线性表达式来拟合探测器单元的响应测量值V与对应的入射辐射的关系V(i，j，)＝Ri，j+Oi，j其中系数R、O采用最小二乘法确定，设积分时间为Tk(k＝1，……，K)，相应的响应数据为Vk，则Ri,j=K·ΣK=1K(TK·VK)-ΣK=1KTK·ΣK=1KVKK·ΣK=1KTK2-(ΣK=1KTK)2]]>Oi,j=1K·ΣK=1K(VK-Ri,j·TK)]]>将各像元的响应直线做平均，规整出标准响应直线，即V()＝R+OG.计算各单元的线性校正系数Kij，Bij如下，并将计算出的Ki，j，Bi，j写入校正电路的系数存储区中。
Y(i，j)＝Ki，jV(i，j)+Bi，jKi,j=R‾/Ri,j]]>Bi，j＝O-Ki，j·Oi，j本发明的一个实施例如下采用256×256元中波HgCdTe焦平面探测器的红外成像系统，其光学焦距50mm，相对孔径为1∶1.2。
该系统的非均匀性校正采用线性数学校正方法，通过1个16位乘法器和16位加法器实现，校正系数K、B以16bits定点表示，存储在电可擦除E2RPOM(4M bits)中。硬件电路的积分时间精确定时模块如图4，采用5MHz晶振作为读出时钟，积分脉冲信号由8253定时器产生，脉冲宽度范围为32μs～20ms，最小调节步长为3.2μs，定时精度优于1‰。
进行现场非均匀测量时，以发黑金属盖遮住系统镜头作为恒定辐射源，微处理器控制软件等间隔选取积分时间从32μs(近似零入射)到4ms(饱和入射)的15～20个测量点，记录探测器各单元的输出数据，采用最小二乘法进行线性拟合，确定拟合系数，据此计算出各单元的校正系数，并将其转化为16位定点值后刷新系数E2RPOM。
测试结果表明，采用该校正方法后，成像系统的非均匀性从初始的15％降至＜0.1％。进一步的计算显示，若采用多点曲线拟合，可将非均匀性降至0.5‰以下。
权利要求
1.一种用于红外焦平面探测器非均匀性校正的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)提供单一恒定红外面辐射源；(2)测量探测器的响应曲线；(3)确定校正算法，并计算校正系数；(4)进行校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的测量探测器的响应曲线还包括控制探测器的光学积分时间的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的控制探测器的光学积分时间包括以下步骤(1)设置最小积分时间；(2)按一定步长增加积分时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的校正算法包括线性拟合或多项式校正算法。
5.一种用于红外焦平面探测器非均匀性校正的装置，包括红外辐射源；光学系统，用于将红外辐射源在焦平面成像；测量控制装置，用于测量红外焦平面探测器的响应曲线；数据处理装置；其特征在于，所述的红外辐射源，只包括一个恒定红外面辐射源；所述的测量控制装置，包括一个可精确调整积分时间的定时模块，由系统微处理器控制，从而在测量探测器的响应曲线时控制探测器的积分时间。
6.根据权利要求5所述的用于红外焦平面探测器非均匀性校正的装置，其特征在于，所述的积分定时模块包括对晶振时钟分频的分频计数器以及帧频计数定时器和积分计数定时器。
7.根据权利要求5所述的用于红外焦平面探测器非均匀性校正的装置，其特征在于所述的积分定时模块包括对探测器设置最小积分时间的装置，以及按一定步长逐步增加积分时间的装置。
8.根据权利要求5所述的用于红外焦平面探测器非均匀性校正的装置，其特征在于还包括采用线性拟合或多项式校正的数字电路。
全文摘要
本发明提供了一种适用于红外焦平面成像系统的非均匀性测量和校正的方法及装置。它只需一个恒定红外辐射源，通过精确控制焦平面探测器的光学积分时间来控制入射到焦平面上的辐射能量，测量系统在不同入射能量情况下的响应曲线，从而实现系统的非均匀性校正。在红外系统设计中，增加一可精确调整积分时间的定时模块，并由微处理器编程控制，简化了系统设计，且提供现场校正定标的功能。实例显示，采用该方法可将焦平面成像系统的非均匀性降至0.1％以下。
文档编号H01L31/00GK1430048SQ01139289
公开日2003年7月16日 申请日期2001年12月29日 优先权日2001年12月29日
发明者汤心溢, 施家明, 张涌 申请人:中国科学院上海技术物理研究所