基于光学滤波器杂散辐射模型的温度控制非制冷红外焦平面阵列非均匀性校正

《Infrared Physics & Technology》：Temperature-controlled uncooled IRFPA non-uniformity correction based on a stray radiation model of optical filter

　　

摘要

无制冷红外焦平面阵列（IRFPA）广泛应用于安防、公共卫生和燃气泄漏检测等多种场景。然而，由于其固有缺陷，包括灵敏度低、输出稳定性差和严重不均匀性，其在检测微弱信号方面的应用受到限制。基于IRFPA成像光路中窄带光学滤波器的固定图案噪声（FPN）模型，我们集成了热电冷却器（TEC）系统及其温度参数，建立了带光学滤波器的温控无制冷IRFPA成像系统的杂散辐射模型（SRM-TUIRF）。随后，我们提出了一种基于所构建的内部辐射模型的新型非均匀性校正（NUC）方法。该方法仅需焦平面、光学滤波器和透镜的温度读数即可模拟成像系统内部杂散辐射的先验分布，从而提高NUC的精度和速度。通过室温辐射定标验证表明，模拟杂散辐射与测量值高度一致，相对误差小于1.15%。进一步的室内外不同高低温度场景实验表明，所提方法在宽环境温度范围内均能有效执行NUC。所提方法成功解决了无制冷IRFPA成像系统中的热漂移问题，确保了稳定高质量的图像，从而验证了所提方法的有效性和鲁棒性。

引言

随着无制冷红外焦平面阵列（IRFPA）的快速发展，无制冷红外成像与探测已在多个领域得到广泛应用，包括安防监控[1]、[2]、电气故障检测[3]、农业[4]、[5]、公共卫生[6]、[7]、燃气泄漏检测[8]、[9]和遥感[10]。然而，与制冷型相比，无制冷IRFPA受制造工艺、读出电路和室温工作的影响，存在灵敏度较低、输出稳定性较差、非均匀噪声较高和信噪比（SNR）较低等问题。这些局限性阻碍了其在检测微弱信号方面的应用。因此，提升无制冷IRFPA的成像性能已成为一项关键研究目标。

通常，热成像仪在出厂前会使用参考辐射源进行标定，以校正不同IRFPA像素响应的固有非均匀性。这通常通过对增益和偏移矩阵进行两点校正（TPC）来实现，该矩阵由传感器在标准工作条件下对多个特定温度的黑体的响应导得。然而，工作温度的波动和长时间运行会改变IRFPA组件温度和内部辐射特性，导致不规则的非均匀响应，从而影响辐射测量的准确性和可重复性。虽然涉及内部快门或挡板的校正方法[11]、[12]可提供部分校正，但新的改进技术不断涌现。Manuela等人[13]提出了一种新型反射校正方法，通过从两张不同发射率表面的图像中同时获取真实目标温度和反射环境温度，减轻了传统单背景温度测量的误差。Robert等人[14]使用半透明快门代替不透明快门，在不中断成像过程的情况下实现热漂移校正。Gutschwager和Hollandt[15]、[16]通过使用空间非均匀但具有高度时间稳定性的光源，解决了均匀辐射源在非均匀性校正（NUC）中的局限性。Francisco等人[5]基于多张重叠图像中的冗余信息开发了微测辐射热计传感器的漂移校正方法，具体建立了六个数学模型来阐明和校正热漂移效应。

基于场景的NUC是另一种有效的方法，它基于实际场景图像执行动态NUC，无需快门。Cao等人[17]使用单帧图像的一维（1-D）导向滤波有效地去除了条纹噪声。Cao等人[18]提出了一种基于小波分解和导向滤波的多尺度NUC方法，以消除垂直和水平条纹噪声。Luo等人[19]利用梯度加权导向滤波器校正无制冷IRFPA系统中的空间连续固定图案噪声（FPN）。Li等人[20]采用多帧、梯度域最小均方算法抑制内部辐射噪声。Liu等人[21]引入了一种基于全变分和低秩双向扭曲张量分解的方法，有效去除红外图像中的时间噪声。Cao等人[22]开发了一种基于TV的NUC算法，采用自适应迭代步长来校正使用查找表预处理后残留的高频噪声。Liu等人[23]使用基于加性因子模型的最小二乘法计算偏移参数，该模型应用于获取的均匀图像和场景图像。尽管上述方法在一定程度上可以去除条纹噪声和低频内部辐射，但它们大多属于动态单点校正技术（相对辐射定标），对于准确校正热漂移和内部辐射以进行定量分析往往不够充分。

鉴于无制冷IRFPA环境的复杂性，它们不仅表现出传统的网格和线条FPN，还表现出随相机温度变化的动态"阴影"FPN。因此，多点校正方法难以有效适应这些动态环境条件。例如，在在线工业燃气泄漏检测或公共场所发热筛查等应用中，图像质量往往随着环境温度的变化而显著下降，直接影响检测和测量精度。最近，基于内部和外部温度参数的补偿方法逐渐受到关注。Samy等人[24]通过控制成像器的外壳温度来研究如何最小化由热漂移引起的温度测量误差。2023年，我们提出了无制冷IRFPA系统中窄带滤波器的固定图案噪声模型（FPN-MF）[25]，结果与实验数据高度吻合，为基于模型的内部辐射NUC提供了创新途径。

本研究在FPN-MF框架的基础上，引入了热电冷却器（TEC）系统及相关温度传感器，从物理层面缓解成像系统中的热漂移效应。具体而言，我们开发了一个带光学滤波器的温控无制冷IRFPA成像系统综合杂散辐射模型（SRM-TUIRF）。基于该内部辐射先验模型，我们提出了一种新型NUC方法，并通过严格的实验验证了其有效性和鲁棒性。

带光学滤波器的无制冷IRFPA成像光路杂散辐射模型

图1(a)[25]所示的FPN-MF考虑了箱体、透镜、滤波器和IRFPA自身的热辐射。入射到IRFPA上的总杂散辐射取决于滤波器的光谱选择性，这会导致热辐射的透射和反射。FPN-MF表示为：

En = Ef + EFPA-f + Ek1 + Ek2

其中Ef、EFPA-f、Ek1和Ek2分别代表滤波器自身发射、IRFPA自身发射被反射、以及透镜相关辐射在IRFPA上的辐照度。

带光学滤波器的温控成像系统辐射响应校正方法

IRFPA的辐射响应通常为非线性"S"形曲线，但在一定动态范围内可近似为线性。基于我们提出的杂散辐射模型，可以对温控系统进行辐射响应校正。考虑到无制冷IRFPA固有的非均匀性，在进行整个成像系统的辐射定标之前，需要先获取增益和偏移矩阵。

SRM-TUIRF及校正方法的实验验证

滤光轮多光谱红外成像系统是一种多波段成像模式[30]、[31]，利用长通、短通和带通红外滤波器的组合。该方法不仅实现了多光谱红外成像，还通过各通道间的信号差分实现了窄带成像效果。与直接窄带成像相比，该方法可获得更高的SNR，这对于微弱气云的检测至关重要。为验证SRM-TUIRF及校正方法的有效性，我们进行了以下实验。

结论

本研究通过开发综合杂散辐射模型（SRM-TUIRF）及相应的NUC方法，解决了无制冷IRFPA成像系统中含光学滤波器时复杂FPN的校正问题。通过实施TEC系统，实现了对无制冷IRFPA组件工作温度的稳定控制。与未控制条件下相比，无制冷IRFPA的三维噪声均值和方差均显著降低。通过获取……

CRediT作者贡献声明

潘源：论文审阅与编辑，论文初稿撰写，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。李力：监督，资源，方法论，经费获取。金伟琦：论文审阅与编辑，资源，经费获取，概念化。谭柱炎：调查，概念化。王明鹤：可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本文报道的工作产生影响。

致谢

本研究由国家自然科学基金委（NSFC，项目编号61871034）和中国科学技术平台基金（Z171100002817011）资助。

潘源 | 李力 | 金伟琦 | 谭柱炎 | 王明鹤

北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081，中国