制冷红外焦平面阵列响应特性的研究

摘 要 文章分析了制冷红外焦平面阵列（IRFPA）的响应模型及响应特性，利用恒温黑体采集某320*256长波红外焦平面阵列在不同辐射下的响应数据得到其非线性响应曲线，然后讨论分析响应曲线，在实际应用中划分不同的线性响应段，通过调整合适的积分时间结合两点温度定标法对图像的非均匀性进行线性校正，效果良好。

关键词 焦平面阵列；响应特性；入射辐射；积分时间；非均匀性校正

中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0057-02

红外焦平面阵列（IRFPA）是红外成像系统的关键器件，由于制作材料的缺陷、加工工艺等多方面的原因，影响了焦平面响应的均匀性，降低了红外系统的成象质量，需要进行非均匀性校正，而焦平面的响应是非线性的，当其响应动态范围很大时，响应的非线性会变得突出，如果采用线性模型来实现非均匀性校正，则由响应的非线性引入的非均匀性校正误差就会变得明显，如何降低在大动态范围下，焦平面阵列响应非线性对非均匀性校正性能的影响是一个重要的研究内容。

本文利用高低温黑体，通过改变黑体靶面温度、调整积分时间来实测了某长波320*256红外焦平面的响应数据并得到其非线性响应曲线，结合响应曲线对图像的非均匀性进行了线性校正。

1 红外焦平面响应模型

2 焦平面响应曲线分析

2.1 焦平面响应与入射辐射的关系

在环境温度为300K不变的情况下，设定黑体温度，待黑体温度稳定时，将焦平面对准黑体靶面，采集像元的响应均值，采集10帧响应值的均值，求其均值作为焦平面的平均响应值，黑体辐射温度变化范围为233K～373K，每隔5度采集一组数据，获得焦平面对各黑体温度的平均响应，以黑体靶面的温度值为横坐标，焦平面的平均响应值为纵坐标，得到统计的响应曲线。

在积分时间为120 us时，采集的响应均值与黑体辐射关系如图1，从233K开始，响应均值较小，随着温度的升高，均值增加，中间部分的线性度较好，入射幅度较大时即黑体温度在343K之后输出慢慢接近饱和，整个曲线的趋势呈现非线性。

从曲线上可以看出在303K的黑体温度下，焦平面工作的积分时间在200 us以下时，在这个积分时间区域内，积分时间从最小开始增加，各像元的输出随着增加并呈近似线性变化的

趋势。

从实验数据中可以看出，在温度变化的大动态范围内，焦平面的输出响应是黑体温度的单调递增的非线性函数，它的响应曲线经历了由截止到缓慢上升，线性增长到趋于饱和的变化过程，但在中间动态范围，焦平面的输出响应与入射的黑体辐射近似线性响应关系。

3 仿真分析与验证

由上面分析的焦平面响应特性可知，我们如果要得到探测元不同的响应值，可以改变黑体辐射的温度，也可以调整焦平面工作的积分时间。因此可以将线性校正方法与积分时间相结合，根据焦平面响应曲线的动态范围划分积分时间，每一积分时间内焦平面的响应均在其线性区内，在这个积分时间段对应的线性动态范围内使用两点温度校正。

从图1的响应曲线选取温度，进行仿真试验来实际比较两点校正的效果，在其中间线性段选取两个温度点的响应值，进行两点温度校正后，采集到253K左右温度点的图像如图4，此刻场景的温度已不在其线性区域内，可以明显看出图像有底纹非均匀性较严重。

试验表明焦平面的响应是非线性的，在整个响应区域内用两点温度校正会存在较大的校正误差，但我们可以把其非线性区域通过调整积分时间，划分为多个线性段，在每个线性段内结合线性校正方法，这样可以降低响应的非线性引入的非均匀性校正误差，得到较好的校正效果。

4 结论

本文对焦平面的响应特性作出了讨论，通过试验测试数据，分析了其响应与入射辐射、积分时间的响应关系，在此基础上，通过黑体定标采集试验数据进行对比，采用调整积分时间结合两点温度校正的方法对焦平面的非均匀性进行校正，效果良好，实时性强，计算量小，可以满足实际工程的需要。

参考文献

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作者简介

詹东军（1984-），男，湖北广水人，助理工程师，研究方向：红外成像技术。endprint