星载红外成像仪焦平面非均匀性分析与校正方法研究

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1、星载红外成像仪焦平面非均匀性分析与校正方法研究樊彩霞谷小青摘要:由于材料、工艺等原因，红外焦平面阵列（IRFPA）各探测元存在响应不一致问题，导致红外图像的非均匀性。非均匀性校正（NUC）是星载红外成像仪图像处理系统的重要环节。本文结合空间相机的应用重点分析了基于定标的两点校正法和基于场景的自适应神经网络法，并通过仿真图像验证了神经网络算法的校正效果。关键字:星载红外成像仪；红外焦平面阵列；非均匀性校正；神经网络中图分类号：TP13文献标识码：ANon-uniformityAnalysisandCorrectionforFocalPlaneArraysoftheSpaceborneI

2、nfraredThermalImagerFanCaixiaGuXiaoqingAbstract：DuetothethematerialandmanufacturingtechnologyoftheIRFPA,everydetector’sresponsivityisdifferent,whichresultinnon-uniformityofIRimages.Thusnon-uniformitycorrection(NUC)isveryimportanttotheapplicationofairborneinfraredimagers.Basedontheanalysisofthea

3、pplicationofspaceinfraredcamera,thisstudyfocusonthetwo-pointalgorithmbasedoncalibrationandtheadaptivealgorithmbasedonneuralnetwork.ThealgorithmofNNistestedbysimulatedimage.Keywords：spaceinfraredthermalimager;IRFPA;NUC;neuralnetwork1引言随着红外成像技术发展，红外成像仪在气象观测、资源调查与环境监测、海洋遥感、空间精确测量、空间目标搜索以及空间侦察与预警等遥

4、感领域的应用越来越广泛。红外成像仪的发展是随着红外探测器的发展而发展的[7]。第一代红外成像仪采用线列探测器通过一维光机扫描实现成像。随着CCD等相关技术的成熟和红外焦平面阵列探测器（IRFPAinfraredfocalPlanearray）的出现，标志着第二代红外成像仪——凝视红外成像仪的出现。与线列探测器相比，焦平面探测器成像具有结构简单、空间分辨率高、探测能力强、帧频高等优点，正迅速成为红外成像技术的主流器件。然而红外焦平面阵列存在非均匀性和无效像元，尤其是非均匀性问题严重影响了系统的成像质量，降低了系统的空间分辨率、温度分辨率、探测距离以及辐射量的正确度量。随着航天遥感对地观

5、测技术的进一步发展和广泛应用，对星载红外相机的定量化要求越来越高，因此通过定标方法对焦平面的非均匀性和盲元进行校正，提高定标的精度是必须解决的首要问题。由我国独立研发的凝视型HgCdTe红外成像仪在地面测试中获得了良好的效果，本文在对传统的非均匀性校正方法进行分析比较的基础上，结合其空间应用背景进行了进一步的探讨。2IRFPA非均匀性分析非均匀性指的是红外焦平面阵列在均匀红外辐射入射条件下各探测元的响应输出的不一致性。通常称这种不一致性噪声为非均匀性噪声，在图像上具体表现为空间噪声或固定图案噪声(spatialnoise/fixedpatternnoise)。这种非均匀性导致的空域噪

6、声通常远远大于时域噪声[1,2]，不能通过时域平均得到抑制，是红外焦平面阵列的整体成像性能的最主要限制因素。即使在非均匀性校正(NUC6non-uniformitycorrection)之后，由于非线性响应和目标辐射光谱成份的差异，仍然存在着剩余非均匀性噪声，并且噪声强度与时域噪声相当甚至超过时域噪声[3]。红外焦平面非均匀性噪声产生的原因十分复杂（见图1），对非均匀性的分析从光学系统、IRFPA响应模型以及读出放大电路等几个方面进行讨论。图1　IRFPA非均匀性噪声分析图目前普遍使用的IRFPA响应是Mooney模型[4]，对绝对温度T的黑体辐射，IRFPA中第i个单元在一个有效积

7、分周期内全部响应的电荷数Ni(Ti)为：(2.1)式（2.1）中，表1给出了公式(2.1)中引入非均匀性噪声的各变量及其表现。表1基于Mooney模型的非均匀性噪声分析变量定义探测元量子效率探测元相对光学系统出瞳的立体角探测元光敏面积探测元暗电流（加性噪声）1IRFPA非均匀性校正方法经同步地面定标后发现某些星载红外相机的响应度每年有10%的变化率[8]，因此星载红外成像仪焦平面的非均匀性更加明显。如果不进行修正，非均匀性噪声将严重影响对卫星遥感图像的正确