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摘要：为提高红外线列探测器盲元检测精度，针对红外线列探测器的响应特点，设计了适用于本系统的盲元检测和补偿方案，根据本系统红外线列探测器的特点，提出了一种在无标定光照情况下的盲元检测方法，通过仿真认证，设计方案具有很高的盲元检测精度，能较理想地对盲元进行补偿。

引言

　　红外成像技术作为当今比较成熟的一种成像手段，具有很多可见光成像技术不具备的特点，在我们的工业生产和日常生活中具有不可替代的作用。但由于器件制作工艺和技术本身的限制，红外成像也存在一定的缺陷，特别是探测器中存在一些响应“迟钝”的单元，我们称为盲元，这些盲元会在一定程度上影响成像质量，因此采用一定的手段找出这些盲元并对其探测出的像素点进行适当处理显得尤为重要^[1]。

　　当前比较成熟的解决途径主要有两种：第一种方法是从“根”上解决问题，即在红外探测器的生产环节做努力，通过采用更前沿的制作工艺来提高探测器的质量，尽可能不产生盲元。此种方法虽然彻底，但会耗费过高的成本，而且容易受到制作工艺的制约;第二种方法是在探测器生产之后做后期的检测，通过对探测器的成像特点进行分析，检测出盲元的位置，再进行相应的校准。

1 盲元检测及补偿方法

1.1 盲元的定义

　　1. 几个基本概念

　　(1)探测元的响应率

　　探测元的响应率是指用单位辐射功率照射探测单元所得到的响应电压信号，其计算公式为：

　　R(m,n)=Vs(m,n)/P

　　Vs(m,n)是指用P个单位的辐射功率照射第(m,n)个探测元所得到的输出响应，R(m,n)是指探测元响应率。

　　(2)平均响应率

　　探测器的输出响应总值除以像元总数即得到探测元的平均响应率。

　　(3)探测元的噪声电压

　　每个探测元的噪声电压的计算过程为先计算出所有探测元的平均响应值，然后用该探测元的输出值和平均值作差。

　　(4)平均噪声电压

　　所有探测元的输出信号的方差即为平均噪声电压。

2.盲元的分类

　　红外探测器的盲元分为两类^[2]，一类是“过热”盲元，其定义为噪声电压比探测器的平均噪声电压高出一定倍数的探测元(通常定为10倍); 另一类是“死”盲元，其定义为探测元的响应率与平均响应率相差一定比例的探测元(通常定为十分之一)。

1.2 通常的盲元检测和盲元补偿算法

　　当前主流的盲元检测算法分为两类：一是通过分析盲元周围像素点的关联性来定位盲元的位置，这种算法能保证精确性，但无法保证现场及时检测;二是直接使用附近像素点的具体信息，在最短的时间内找出那些差距较大的探测元^[3]，从而达到随时随地检测并补偿盲元的目的。其实现过程需要界定一个临界值，大于该临界值的认为是盲元。因此临界值的选取是关键环节，其值太大会导致盲元漏检，太小则将正常探测元也认定为盲元。有的文献(例如参考文献[4])提出的算法以待检测探测元为中心选取一个滑动窗口，通过计算中心探测元探测值与窗口内探测元的差值来判断其是否为盲元，其缺点是计算过程较为复杂。

　　当前应用较多的盲元补偿算法主要有：一是对盲元周围的像素点按一定公式进行运算，用得到的值去替代盲元点的值;二是查找出噪声电压较大的像素点，再通过排序法找到这些像素值的中间值，用其替代前者。另外还可以利用线性函数数量关系进行盲元补偿^[5]。

2.本系统的盲元检测及补偿算法设计

2.1 系统硬件设计介绍

　　1. 红外线列探测器单元介绍

　　本系统的红外探测器单元由128元红外探测器和数据预处理电路封装组成，如图1所示。该芯片的管脚主要有Vdd、Gnd、Reset、Vref、Out_data。其中Vdd和Gnd分别为电源和地，Reset为复位信号，Vref为芯片的偏置电压，Out_data为输出的红外数据。芯片的电源电压Vdd为3.3V，工作温度为120-250k，输出噪声小于等于两个有效位，功耗小于120mW， 集成的模数转换器精度为8位，芯片内的探测元排列顺序采用奇偶行分开的方式，如图2所示，这种方式可解决芯片的输出数据与实际场景的真实位置无法做到对应的问题。

　　2.FPGA控制面板

　　FPGA控制面板是系统的核心部分，负责将控制参数发送给红外探测器，并将探测器的输出数据进行解析后传送到上位机成像。FPGA控制面板由FPGA芯片和USB模块组成。FPGA芯片选用Altera公司生产的EP1C6Q240C8，其内部逻辑单元数为20060个，RAM存储容量为288kB，为系统的程序开发提供了充足的的逻辑单元和存储空间。USB模块主要由CY7C68013USB芯片和外围电路组成，该芯片具有8500字节的片上RAM和4000字节的FIFO存储器，为红外数据缓存提供了充足空间。

2.2 盲元检测方案

　　本文盲元检测的实现过程如图3所示，红外线列探测器对准均匀光进行均匀扫描，输出探测数据。通过数据累加器把探测单元输出的像素值进行累加再除以行数，求出该探测元响应值的平均值。对剩余的探测单元也进行上述步骤，完成后，用中值滤波算法求出n个探测元平均响应值的中值，再用其他n-1个探测元的平均值依次去减该中值，然后选择一个适中的临界值，如果差值超过临界值，则在其盲元判定存储器中做好标记，反之，则是正常元。

　　使用Modelsim软件对该方案的verilog程序进行仿真，图4为盲元检测单元的输出波形。mdf_a11-mdf_a33分别为输入的n个探测元的输出响应值的平均值，用中值滤波法求出它们当中的中值，再把输出响应值分别与此中值进行比较，偏差大于阈值百分比的认定为盲元。mdf_a11_reg1-mdf_a33_reg1为盲元判定标志，其值为1，表示判定为盲元，为0则是正常元。图5为盲元检测的整体仿真输出波形，将探测到的红外响应数据每n个为一组，传送到盲元检测单元，输出即为探测器的盲元检测结果。

2.3 采集现场的盲元检测

　　常用的盲元检测方法需要两束均匀光，而探测器由于受到外界影响，可能会形成新盲元，在非实验室环境下又无法找到均匀光环境，这种情形需要选取新的方法进行盲元检测。对此，我们尝试利用盲元通常响应过大或者没有输出响应的特点，对一个背景多样的场景进行成像，若探测元为盲元，其输出响应值会在一个很小的范围内浮动，所以，我们可以通过计算同一探测元的输出数据的变动幅度，求出其NU值^[6]，即非均匀性。若其值比选取的临界值小，则认为该探测元为盲元。

　　方案仿真：

　　对该系统所用的红外线列探测器的输出图像用matlab进行处理，通过上述求单个探测单元行响应值的NU值的方法，扫描不同的图像，同一探测元可能被判定为盲元，也可能被判定为正常元。为找到原因，我们把本系统所用的红外线列探测器的所有探测元的输出值进行了统计，为便于观察，特绘制输出响应曲线，如图6所示。通过分析不难发现，大部分探测元的输出响应比较集中，呈近线性规律，而输出不规律的探测元并没有像通常的盲元那样响应过强或很弱，而是在光照从零到一定范围增大时没有输出响应，当超过这个范围时响应也随光照正确而变大，基于这种特性，上述方法不能准确检测出盲元的位置。

　　通过上述分析我们不难得到这样的结论：本系统所用的红线线列探测器含有的特殊“盲元”需要通过特殊方法查找到。即利用在某一固定光照强度下，特殊“盲元”的输出值与正常元相差很多的特性，把背景变化的图像看成是若干强度恒定的光照，然后去纵向比较差值大小。

　　方案仿真：

　　对于第n个探测单元扫描的第n行数据分别与第(n-1)行数据的同列数据作差，若所得结果超过所选取的临界值，则对其number值加1。当对一探测单元的整行数据都做了上述处理之后所得的number值超出其他探测元的number值，则认定该探测元为盲元。仿真过程中选取的临界值为90，并对三个场景进行了扫描成像，得到的结果是第26、28探测元的number值很大，而其他探测元的number值基本为0，具体信息见表1。

3 盲元补偿算法设计

　　本文的盲元补偿算法采用对盲元周围探测元的像素值求均值的方法，对于线列探测器中单个盲元，补偿方法为对盲元像素点上方和下方三个像素点的像素值求平均值;对于探测器含有连续两个盲元的情况，两个盲元分别用上方和下方三个像素点的像素值求平均值;对于探测器含有连续三个盲元的情况，首先对最上方的盲元用其上方的三个像素点的像素值求平均值，最下方的盲元用其下方的三个像素点的像素值求平均值，对于中间的盲元，我们选择最上方盲元和其左右的两个像素点以及最下方的盲元和其左右的两个像素点的总和求平均值;对于探测器含四个盲元或更多的情况，其补偿后的图像效果依然不理想，因此认为这种情况的探测器质量问题严重，我们放弃补偿。

4 算法验证与实现

　　为验证本文设计的盲元检测和补偿算法是否可行，作者使用Altera公司的综合性PLD/FPGA软件 Quartus II建立了工程文件，各模块的功能和时序都验证无误后，进行编译，整个工程占用逻辑单元和存储空间的比例分别为6%和18%。将编译生成的project.pof文件通过AS下载电路下载到FPGA电路板中，下载界面如图7所示。系统在室温条件下采集了图像，通过对比图8-1和图8-2，我们可以得出结论：本文的盲元检测和补偿算法很好地改善了系统的成像质量。

5 总结

　　本文为改善红外线列探测器的成像质量，对当前普遍应用的盲元检测和补偿算法进行了分析，通过比较它们的优缺点，结合本探测器的特点，设计了适合红外线列探测器的盲元检测和补偿方案，并且编写程序完成了验证。结果表明，本方案能很精确地检测到盲元位置，并有效地对盲元进行补偿。

参考文献：

　　[1] Shen X Q, M a tsuhata H, Okumu ra H. Reduction of the threading dis- location density in GaN films grown on vic-Inal sapphire ( 0001) substrates[ J]. App.l Phys. Lett. ,2005, 86: 021912 - 021914

　　[2]周慧鑫，殷世民，刘上乾，等. 红外焦平面器件盲元检测及补偿算法[J]. 光子学报，2004，33(5)：598-600

　　[3]赖睿，刘上乾，周慧鑫，等. 红外焦平面阵列盲元检测技术研究[J]. 半导体光电，2005，26(3)：219-211

　　[4]郭继昌，陈敏俊，李锵，等. 红外焦平面失效元处理方法及软硬件实现[J]. 光电工程，2006，33(6)：57-60

　　[5] Boltar K O，Bovina L A，Saginov L D，et a1. IR Imager Based on a 128×128 HgCdTe Staring Focal Arrays [J]. SPIE，1999，3819：92-95

　　[6]李怀琼. 高性能凝视热像仪处理电子学关键技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2007：13-19

　　[7]Scribner D A，Kruer M R，Gridley C J. Measurement，Characterization，and Modeling of Noise in Staring Infrared Focal Plane Array [J]. SPIE，1987，782：147-160

本文来源于中国科技期刊必威娱乐平台 2016年第4期第55页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 红外线列探测器 盲元检测 补偿算法 201605