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《红外焦平面阵列成像及其非均匀性校正技术》可作为电子信息专业、计算机专业、光电工程专业高年级本科生和研究生的参考书；也可供从事红外探测与成像的科研人员、工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
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《红外焦平面阵列成像及其非均匀性校正技术》是重庆邮电大学信号与信息处理重庆市重点实验室多年来从事红外热成像系统的研制及应用开发中关键技术问题的总结。《红外焦平面阵列成像及其非均匀性校正技术》共7章，主要内容包括红外热辐射理论、红外焦平面阵列成像的原理及系统构成、盲元检测及补偿、非均匀性校正及图像增强技术等。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1红外线的发现1
1.2红外热成像技术的发展现状及分类2
1.2.1红外热成像技术的发展2
1.2.2红外热成像系统的分类3
1.3红外成像技术的应用8
1.3.1庞大的军用领域8
1.3.2广阔的民用市场9
1.3.3自行研制红外热成像系统的意义9
1.4红外图像非均匀性校正的研究意义10
1.5红外图像非均匀性校正研究现状及存在的主要问题10
参考文献13
第2章红外辐射理论16
2.1红外辐射的普遍性16
2.2红外辐射源17
2.2.1黑体17
2.2.2灰体18
2.2.3其他辐射源18
2.3红外辐射的相关定律20
2.3.1透射、反射、吸收定律21
2.3.2黑体辐射定律21
2.3.3基尔霍夫定律24
2.3.4朗伯余弦定律25
2.4红外辐射的影响因素26
2.4.1物体发射率26
2.4.2大气传输26
2.4.3背景噪声27
参考文献28
第3章红外焦平面阵列工作原理及成像系统设计29
3.1红外焦平面阵列器件的工作原理29
3.2红外焦平面阵列器件的分类29
3.3红外焦平面阵列成像系统的设计31
参考文献39
第4章红外焦平面阵列非均匀性校正技术40
4.1非均匀性的定义40
4.2非均匀性的来源41
4.3非均匀性校正方法的分类42
4.3.1定标类校正方法44
4.3.2场景类校正方法67
参考文献77
第5章红外焦平面阵列非均匀性校正新方法80
5.1基于积分时间调整的红外焦平面阵列非均匀性校正方法80
5.1.1积分时间对红外焦平面阵列探测单元响应特性的影响80
5.1.2基于积分时间调整的红外焦平面阵列响应模型81
5.1.3基于积分时间调整的红外焦平面阵列非均匀性校正算法83
5.1.4实验结果分析89
5.2定标和场景融合校正方法90
5.2.1算法实现原理90
5.2.2算法实现步骤及实验结果93
参考文献94
第6章盲元检测与补偿95
6.1盲元的定义95
6.2盲元检测算法96
6.2.1基于滑动窗口的盲元检测算法96
6.2.2基于响应特性的盲元检测算法98
6.2.3基于运动场景的盲元检测算法100
6.2.4基于积分时间调整的盲元检测方法101
6.3盲元补偿算法104
6.3.1邻域替代法104
6.3.2时空相关性补偿法105
参考文献108
第7章红外图像增强技术109
7.1红外图像特征109
7.1.1红外图像直方图统计109
7.1.2红外图像的对比度111
7.2红外图像增强处理113
7.2.1红外图像的直方图均衡增强算法113
7.2.2红外图像的灰度分段线性变换增强方法115
7.2.3自适应分段线性变换118
7.2.4红外图像的伪彩增强120
7.2.5基于人眼视觉特性的红外图像增强算法124
7.2.6实验结果分析126
7.3结合视觉侧抑制特性的红外图像边缘增强算法130
7.3.1反锐化掩膜算法131
7.3.2同态滤波算法132
7.3.3基于视觉侧抑制特性的红外图像边缘增强算法133
7.3.4实验结果分析138
7.4视觉侧抑制机理及其网络模型分析143
7.4.1侧抑制生物原型143
7.4.2侧抑制网络模型145
7.4.3侧抑制增强分析149
7.4.4侧抑制在图像增强中的应用151
7.4.5自适应侧抑制增强154
7.4.6实验结果分析157
参考文献157
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第1章绪论
1.1红外线的发现
1672年，牛顿发现太阳光（白光）由各种颜色的光复合而成，并得出了单色光在性质上比白光更简单的著名结论。使用分光棱镜可以把太阳光（白光分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各色单色光[1]。1800年，英国物理学家赫谢尔[2]从热力学的观点来研究各种色光时，发现了红外线。红外线也称为红外辐射线，简称红外辐射。红外线是一种电磁波[3]，具有与无线电波及可见光一样的本质。红外线的发现是人类对自然认识的-次飞跃，为研究、利用和发展红外技术开辟了全新的广阔道路。红外线的波长为0.76~1000μm，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外和极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置处于无线电波与可见光之间。红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，产生的原理是任何物体自身的分子和原子在常规环境下都会做无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动越剧烈，辐射的能量越大;反之，辐射的能量越小[4]。理论分析表明，任何温度高于热力学零开尔文的物体都会因自身分子的运动而辐射出红外线。红外辐射律除存在的普遍性之外，还有两个重要特性:第一，大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却是透明的。因此，这两个波段称为热红外线的“大气窗口”。利用这两个窗口，人们可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况[5]。正是利用这个特点点红外热成像技术在军事上提供了先进的夜视装备，并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。第二，物体热辐射能量的大小，和物体表面的温度有关。人们可以利用热辐射的这个特点来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为安全生产、节能降耗和环境保护等提供重要的检测手段和诊断工具[6]。
红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。为此，首先需要将不可见的红外辐射转换成可测量的信号，这种转换器件称为红外探测器。红外探测器的工作原理是基于红外辐射与物质材料相互作用产生各种效应。按工作原理可以将红外探测器分为光子探测器和热探测器两大类[7]。红外探测器作为红外成像系统的核心部件，得到了广泛应用，尤其是军事应用。第二次世界大战期间，红外探测、红外夜视等军用红外技术相继出现。第二次世界大战结束后，尤其是20世纪50年代以来，半导体工艺和激光技术的发展，为红外术是供了灵敏度高、响应度快光子探獅单性能、能量集中的相干光源，使得红外技术得到了突飞猛进的发展。目前，红外技术已广泛应用于工业、农业、国防、医疗、交通等领域，特别是在军事领域中应用的红外技术，已形成了一个相对独立的红外系统工程领域。
1.2红外热成像技术的发展现状及分类
1.2.1红外热成像技术的发展
1800年，英国物理学家赫谢尔发现了红外线，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战期间，德国人用红外变像管作为光电转换器件，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础[8]。第二次世界大战结束后，首先由美国得克萨斯仪器公司经过近一年的探索，开发研制了第一代用于轉领域的红外成像装置，称为红外前视系统FLIR?。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射进行扫描，由光子探测器接收二维红外辐射图像，经光电转换及一系列仪器处理，形成视频图像信号。这种系统原始的形式是一种非实时的自动温度分布记录仪，后来随着50年代锑化铟（InSb和锗掺汞光子探器的发展，才开始出现高速扫描及实时显示的红外热成像系统。
20世纪60年代早期，瑞典AGA公司成功研制出第二代红外成像装置。该装置在红外前视系统的基础上增加了测温功能，称为红外热像仪[M]。开始由于保密，该装置在发达国家也仅限于轉应用。投入应用的热成像装置可以在黑夜或浓厚的烟、云、雾中探测对方的目标，探测伪装和高速运动的目标。国家经费的支撑，使得投入的研发费用很大，但仪器的成本也很高。后来考虑到在工业生产发展中的实用性，结合工业红外探测的特点，采取压缩仪器造价，降低生产成本并根据民用的要求，通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施逐渐发展到民用领域。60年代中期，AGA公司研制出第一套工业用的实时成像系统，该系统由液氮制冷110V电源电压供电，约35kg，便携性能差。经过对仪器的几代改进，!986年研制出的红外热成像系统已无需液氮或高压气，而以热电方式制冷，可用电池供电。1988年推出的全功能热像仪，将温度的测量、修改、分析、图像采集及数据存储集于一体，质量小于7kg，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。
90年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪，属于焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置气技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作。各种参数的设定可回到室内用软件进行修改和分析!最后直接得出检测报告。由于技术的改进和结构的改变，该装置取代了复杂的机械扫描，仪器质量已小于2kg，如手寺摄象机一_，单手可方便地操作。
而国内对红外成像技术的酿始于20世纪70年代。到80年代初，我国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定的进展。到了80年代末和90年代初，我国已经成功研制出实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到较高的水平[13]。进入90年代，我国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器、微型制冷器等关键技术方面有了很大的进步，并且从实验走向应用，主要用于部队，如便携式野战热像仪、反坦克飞弹、防空雷达、坦克和军舰火炮等[14]。我国在红外热成像技术方面已经投入了大量的人力和物力，形成了相当规模的研发力量，但是总的来讲，仍落后于西方发达国家。
目前国外开始在部队装备第二代红外热成像仪，并开始了第三代的研发工作。美国、法国、以色列是这方面的先行者，其他国家包括俄罗斯相对较弱[15]。
近十年来，我国在红外热成像技术方面呈现飞速发展的趋势，与欧美国家的差距已逐渐短，某些武器装备的研制甚至与西方同步。
如今，红外热成像系统已经在国防、电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用，在世界经济的发展中正发挥着举足轻重的作用。
1.2.2红外热成像系统的分类
红外热成像系统是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的红外焦平面阵列技术则去了光机扫描系统接收被测目标的红外辐射能量分布图形并反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有-个光机扫描机构焦平面热像仪无此机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理后转换成标准视频信号，通过电视屏幕或监测器显示红外热图像。这种热图像与物体表面的热分布场相对应，实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图，由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际应用过程中，为了更加有效地判断被测目标的红外热场分布，常采用-些图像处理技术来增强系统的实用性能，如图像亮度、对比度的增强，实时非均匀性校正，伪彩色处理等技术[16]。
在红外热成像技术中，探测器是核心，也最具有发展潜力。热成像技术代与代的划分就是以探测器技术为标志，探测器像元的数量，决定了热成像技术的发展水平[17]。探测器像通量的变化，决定了扫描系统、信号处理部分的变化。用单元或小面阵探测器时，扫描系统必须在X和Y方向上进行二维扫描，若线列探测器足够长，则只需进行一维扫描，若探测器的像元足够多，则不再需要扫描器。
按照红外探测器的发展进程划分，红外热成像系统大致可分为三代[18]。第一代为数目有限的探测器单元，如60元、120元和180元，借助光机扫描来实现图像探测，同时还需低温制冷器协同工作，多为单元探测器扫描成像，但灵敏度低，二维扫描系统结构复杂笨重;第二代为NXM元红外焦平面阵列（IRFPA，探测器单元数目在万元以上，且自带信号读出电路ROIC[19]，红外焦平面阵列又分为制冷型和非制冷型两种;第三代为“灵巧”凝视大面阵焦平面阵列，这种阵列除了有ROIC之外，还集成了后续信号处理电路，包括前置放大电路、AD转换电路、图像处理电路等。
红外探测器是红外技术发展最活跃的领域，是红外系统、热成像系统的核心组成部分。红外辐射是不可见的，要察觉它的存在，测量它的强弱，首先必须把它转换成某种可以测量的物理量，而红外探测器就是要完成这样的任务[20]。现在红外探测器的发展已经达到了相当高的水平，近、中、远红外单元探测器的性能很多已达到或接近背景限制的舰水平。对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。例如，根据响应波长，可分为近红外、中红外、远红外、极远红外探测器;根据工作温度，可分为低温、中温和室温探测器;根据用途和结构，可分为单元、多元、线阵、焦平面阵列;而探测器在光电成像系统中，用来将红外辐射信号转换为电信号，因此它也可分为成像和非成像探测器;就探测机理而言，可分为光子探测器和热探测器两大类[21?33]，下面给予说明。
1.光子探测器
目前所有工作在3?5μm和8?14μm波段的制冷型焦平面阵列都是利用固体的光电效应来制作红外探测器，即依赖入射红外光子在探测器中激发产生的载流子，定向生成的光子电荷数正比于入射红外辐射通量的信号。采用碲镉汞HgCdTe、锑化铟InSb等材料制作的红外焦平面阵列在较高的工作温度下，探测器材料固有的热激发迅速增强，而暗电流和噪声的增大会严重降低探测器的性能，故这一类光电探测器通常工作在200K以下。光子探测器主要有以下几种。
1光电导型探测器
某些半导体材料，当受到红外线照射或受到其他辐射时，导电率将明显增大，该物理现象称为光电导效应。利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器称为光电导型探测器。常用的光电导探测器有硫化铅PbS探测器、硒化铅PbSe探测器、InSb探测器、碲镉汞（HgCdTe探测器及Ge掺杂质的各种探测器。20世纪50年代，半导体物理学的发展使得这一现象得到深入研究，制成了多种光电导器件，并得到了广泛应用。光电导型探测器的缺点是，光电导效应只有在辐射照射一段时间后，其导电率才会达到稳定值，辐射停止后，载流子不可能瞬间复合消失，因此，其导电率只有经过一段时间后才减小到零，这样就导致了光电导型探测器响应速度慢。
2光伏型探测器
如果固体内部存在一个电场，而且条件适当，那么本征光吸收所产生的电子-空穴趋向两个部分，两部分之间产生电势差，接通外电路就可以输出电流，这就是半导体P-N结的光伏效应。利用具有光伏效应的材料制成的红外探测器叫做光伏型探测器。常用的光伏型红外探测器有InAs探测器、HghCiTe探测器、InSb探测器等。光伏型探测器的响应速度一般较光电导探测器快，有利于做高速检测，另外其结构也便于排成二维面阵。
3光电子发射擁器
当频率为v的光束照射固体細时，进入固体的光能总是以整个光子的能量hv起作用，固体中的电子吸收能量以后将增加动能。向表面运动的电子中有一部分能量较大，除掉在途中由于与晶格或其他电子碰撞而损失部分能量外，尚有足够的能量以克服固体表面的势垒穿出表面进入真空，这种效应称为光电子发射效应，利用这种效应制成的探测器叫做光电子发射探测器。
4利用半导体的其他光电效应制成的红外探测器
利用以下光电效应也可以制成红外探测器：
1光扩散效应。半导体細受到光照射时，若吸收系数很大，则光所激发的电子-空穴对大都发生在近表面处，它们将向体内扩散。一般半导体的电子与空穴的迁移率都有相当大的差别，迁移率大的电子将比迁移率小的空穴更快到达样品的另一面背光面），在那里积累负电荷，由此产生的电场将阻止电子流而促进空穴流，最后达到稳定状态，在两面之间建立起电势差，使电子和空穴以同样的速度从光照面流向背光面。
2光电磁效应。当光束照射到半导体細时，若有磁存在，则其方向既垂直于光照方向又垂直于样品上两电极间的连线，磁场垂直于纸面，由纸面向上。光照面附近产生的电子-空穴对在向背光面扩散的同时，也受到磁场作用向相反方向偏转，
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