盧曉春+婁宇+黃嘉

【摘要】 受材料及制造工藝的影響，紅外焦平面探測器均存在一定數(shù)量的盲元。并且隨著時間的推移，盲元數(shù)量會增加。盲元過多會影響紅外圖像質(zhì)量，進而影響探測性能。本文研究了一套專用盲元標(biāo)定系統(tǒng)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法，自動實現(xiàn)盲元位置檢測和盲元位置數(shù)據(jù)燒寫。經(jīng)驗證，該盲元標(biāo)定系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確的檢測出盲元，并進行盲元位置數(shù)據(jù)燒寫，使用方便。

【關(guān)鍵詞】 盲元檢測 自動標(biāo)定 檢測算法

一、概述

隨著技術(shù)的進步和成本的降低，紅外焦平面探測器在國防和民用領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，然而受器件材料和制造工藝水平等因素的限制，紅外焦平面陣列器件在使用和存儲過程中不可避免地存在盲元，盲元是指響應(yīng)過高或過低的探測單元，在圖像中表現(xiàn)為過亮點、過暗點或閃爍點[1]。

某型探測器隨著使用時間增加及多次應(yīng)力篩選試驗后，有盲元數(shù)量增加現(xiàn)象，盲元的數(shù)量和分布對紅外圖像的信噪比、圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，如果盲元過多或者分布過于集中，將嚴(yán)重影響紅外圖像的視覺效果和探測性能，因此必須進行盲元檢測。而現(xiàn)有的探測器盲元標(biāo)定方法為手工標(biāo)定法，設(shè)置好作為均勻背景的黑體溫度，經(jīng)探測器成像后人工觀察圖像上的白點或者黑點，并記下坐標(biāo)位置。把坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)按要求燒寫到探測器Flash芯片中。存儲在Flash芯片中的盲元位置數(shù)據(jù)信息在探測器工作狀態(tài)下由處理軟件調(diào)用，進而實現(xiàn)探測器盲元響應(yīng)信號的平滑替代。該方法雖然能夠進行盲元標(biāo)定，但需要人工參與儀器的設(shè)置、盲元位置的辨認(rèn)，標(biāo)定效率低，增加了成本和人為出錯的可能。

為此本文設(shè)計了一套全自動的盲元標(biāo)定系統(tǒng)，通過RS422通訊控制，實現(xiàn)面源黑體溫度設(shè)置、探測器圖像信息自動采集。利用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法，自動完成盲元位置計算和盲元位置的數(shù)據(jù)燒寫，實現(xiàn)探測器盲元檢測的自動化，提高了工作效率，降低人為出錯的可能。

二、系統(tǒng)設(shè)計

2.1實現(xiàn)原理

盲元標(biāo)定系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是面源目標(biāo)模擬器和主控單元。目標(biāo)模擬器為溫度可調(diào)的面源黑體，給探測器提供均勻的成像背景。主控單元用于目標(biāo)模擬器溫度控制、探測器圖像數(shù)據(jù)采集、盲元位置計算、盲元數(shù)據(jù)燒錄等盲元標(biāo)定工作[2]，其測試原理見圖1。

目標(biāo)模擬器使用時固定在探測器前端，通過控制電纜與主控單元相連。主控單元通過RS422完成與供電供氣單元的通訊和探測器的通訊，圖像數(shù)據(jù)以LVDS格式進行傳輸。供電供氣單元完成待標(biāo)定的探測器的供電、供氣。

2.2 主控單元

主控單元采用嵌入式計算機結(jié)構(gòu)，主要由電源模塊、嵌入式控制器、LVDS采集模塊組成，組成示意圖見圖2。

電源模塊分為+27V和+24V電源模塊。其中+27V電源模塊為嵌入式控制器、LVDS采集模塊提供工作電源。+24V電源模塊為盲元檢測目標(biāo)模擬器提供工作電源。

LVDS采集模塊完成探測器圖像數(shù)據(jù)采集工作。

嵌入式控制器通過USB2.0控制LVDS采集模塊全程采集，并根據(jù)采集到的探測器圖像數(shù)據(jù)，生成新增盲元的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過I/0接口設(shè)置探測器工作狀態(tài)。通過RS422和探測器進行通訊，回讀探測器Flash芯片中已有的盲元信息并存儲，把回讀的盲元信息和新增的盲元信息合并后，加載到探測器Flash芯片中。同時嵌入式控制器還實現(xiàn)對目標(biāo)模擬器的溫度控制。

2.3目標(biāo)模擬器

目標(biāo)模擬器為面源輻射源，輻射系數(shù)高，全波段輻射。通過控制電纜與主控單元相連，通過主控單元實現(xiàn)目標(biāo)模擬器的供電、溫度設(shè)置控制。溫度控制器采用PID數(shù)字調(diào)節(jié)儀控溫，控溫精度高。工作溫度范圍為室溫～150℃，溫度穩(wěn)定性好，升溫速度快。

2.4軟件設(shè)計

盲元標(biāo)定軟件由兩部分組成，控制軟件和標(biāo)定軟件?？刂栖浖\行在供電供氣單元中，標(biāo)定軟件運行在盲元標(biāo)定系統(tǒng)中。盲元標(biāo)定軟件采用NI公司LabWindows/CVI工具進行開發(fā)，運行在Windows操作系統(tǒng)下，盲元標(biāo)定軟件的流程見圖3。

標(biāo)定軟件運行在主控單元的計算機上，收到控制軟件的任務(wù)開始指令后，按設(shè)定好的條件完成探測器圖像數(shù)據(jù)的采集和存儲，根據(jù)采集到的探測器圖像數(shù)據(jù)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法，生成新增盲元的坐標(biāo)數(shù)據(jù)[3] [4]。此時標(biāo)定軟件向控制軟件發(fā)送圖像采集完成指令，供電供氣單元停止向探測器供電。盲元檢測完成以后，盲元標(biāo)定系統(tǒng)自動通過I/O設(shè)置使探測器處于串行加載模式，供電供氣單元給探測器重新上電。嵌入式控制器通過RS422通訊，獲取探測器已有盲元的位置信息。將探測器已有的盲元信息和新增盲元信息重新排序組合，生成完整的盲元位置信息，并通過RS422發(fā)送到探測器Flash芯片中。標(biāo)定軟件按照既定的流程自動完成盲元位置檢測、盲元位置寫入，結(jié)束后向控制軟件返回任務(wù)完成指令，供電供氣單元停止對探測器供電、供氣。

三、關(guān)鍵技術(shù)

3.1盲元檢測流程

盲元標(biāo)定流程分成兩部分：盲元檢測和盲元位置燒寫。盲元檢測用來獲取新增盲元在探測器中的位置，盲元位置燒寫是把盲元位置信息燒寫到探測器Flash芯片。探測器工作時能夠自動從Flash芯片中獲取盲元位置信息，進行自適應(yīng)處理。

盲元檢測的流程如下，盲元標(biāo)定系統(tǒng)通過RS422串口自動控制黑體設(shè)置黑體溫度為T0，待探測器致冷好正常和黑體溫度穩(wěn)定以后，自動采集探測器圖像數(shù)據(jù)并進行存儲。然后設(shè)置黑體溫度為T1，待黑體溫度穩(wěn)定后，采集探測器圖像數(shù)據(jù)并進行存儲。根據(jù)兩個溫度點采集的圖像數(shù)據(jù)，采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法，生成新增盲元的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.2雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法

目前盲元檢測算法有很多，包括雙參考輻射源現(xiàn)場自動檢測和插值補償，基于環(huán)境溫度差異的盲元檢測算法，基于“3σ”原則的盲元檢測等[5] [6]。本文采用的雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元檢測算法基于“3σ”原則，針對實際使用的探測器的特點，對其進行改進，采用了“3.5σ”自適應(yīng)閾值。由于“3.5σ”對原始圖像直接進行檢測容易造成全局漏判，局部過判。然而把“3.5σ”應(yīng)用到圖像的子區(qū)域中，就能夠解決上述問題。選用滑動窗口機制，以某一個像元為中心，取一個（2n+1）×（2n+1）的窗口，通過求窗內(nèi)像元的均值與標(biāo)準(zhǔn)差來判斷該中心像元是否為盲元。

使用面源黑體作為雙參考輻射源，提供兩種具有灰度差的均勻背景。對于圖像中心5×5區(qū)域內(nèi)，采用像元變化響應(yīng)率進行判斷。對于圖像中心5×5區(qū)域外，利用基于滑動窗口的“3.5σ”自適應(yīng)閾值進行盲元檢測。

經(jīng)過理論分析和試驗，當(dāng)n為4時盲元檢測精度最高。經(jīng)過大量試驗驗證，該算法能夠有效的檢測出盲元，使探測器處于更加穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有利于工程應(yīng)用。算法具體實現(xiàn)步驟如下。

以（i，j）為中心進行加窗，并計算以（i，j）為中心像元時窗內(nèi)像元均值ц（i，j）與標(biāo)準(zhǔn)差σ（i，j）；

計算中心像元灰度值與均值的偏差e（i，j）=|f（i，j）-ц（i，j）|；

判斷e（i，j）是否大于3.5σ（i，j），如果是則判定為盲元，并記錄當(dāng)前的坐標(biāo)（i，j），進入下一步，否則直接進入下一步；

計算圖像中心5×5區(qū)域內(nèi)的每個像元響應(yīng)與圖像中心9×9區(qū)域內(nèi)響應(yīng)均值的差與均值比，超出±15%，判斷為盲元；

將窗口中心移動到下一個像元，返回a）步，直到中心像元掃描完所有像元。

其中閾值的計算公式如下所示。

式中：σ（i，j）是 中心坐標(biāo)為（i，j）的窗口像元灰度標(biāo)準(zhǔn)差；

f（k，l）為窗內(nèi)像元灰度值，其中k≠ i，l≠ j；

μ（i，j）為中心坐標(biāo)（i，j）的窗口像元的灰度平均值。

四、結(jié)束語

該盲元標(biāo)定系統(tǒng)采用雙參考輻射源的基于滑動窗口的自適應(yīng)閾值盲元算法，能夠有效的檢測盲元，實現(xiàn)了盲元的自動標(biāo)定，提高了工作效率，具有良好的可靠性和安全性。已在某型探測器的盲元標(biāo)定中進行了應(yīng)用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠，能夠高效、準(zhǔn)確的實現(xiàn)紅外焦平面陣列探測器的盲元檢測和標(biāo)定。

參 考 文 獻

[1] 白俊奇，蔣怡亮 .紅外焦平面陣列探測器盲元檢測算法研究 紅外技術(shù). 2011年4月.

[2] 伍乾永，陳彬，基于FPGA的實時圖像采集模塊設(shè)計[J].微電子學(xué)，2008，38（3）：453-456.

[2] Boltar K O，Bovina L A Saginov L D， et al.IR imager based on a 128×128 HgCdTe staring focal arrays[C]// Proc.SPIE，1999，3819：92-95.

[4] Dieickx B， Meynants G.Missing pixels correction algorithm for imager sensors[C]//Proc. SPIE，1998，3410：200-203。

[5] 張熙寧. 一種改進的紅外焦平面陣列盲元檢測算法 激光與紅外. 2010年10月.

[6] 顧國華. 基于滑動窗口與多幀補償?shù)淖赃m應(yīng)盲元檢測與補償算法. 紅外技術(shù) 2010年7月.