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1、第 3 1 卷 第 1 1 期 2 0 0 9年 1 1月 红 外 技 术 I n f r a r e d T e c h n o l o g y Vlo l-31 No 11 NO V 2 00 9 (材料与 器件 红外长线列探测器位置错位校正方法 刘素芳 一，李建林 一，潘呜，方中华(1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 2 0 0 0 8 3；2 电子工业部第五十研究所，上海 2 0 0 0 6 3；3 中国科 学院研究生 院，北京1 0 0 0 3 9)摘要：红外长线列探测器在扫描成像系统中正得到越来越多的广泛应用，相应的遥感图像预处理工作 的重要性也 日渐突出，红外长线列探测器位置
2、校正是遥感图像预处理的重要组成部分，对其方法的研 究有着重要的实用价值。针对多元红外长线列探测器模块内像元错位和模块间位置错位，提出并用 F P GA实现 了一种红外长线列探测器位置错位实时校正方法。实验结果表 明该方法效果 良好，可以有 效的消除 图像错位畸变，提 高图像质量。关键词：红外长线列探测器；位置校正；遥感图像；图像预处理 中图分类号：T N2 1 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 8 8 9 1(2 0 0 9)1 1-0 6 2 1 0 4 Di s l o c a t i o n Co r r e c t i o n o f Lo ng Li ne a r I n
3、f r a r e d De t e c t or s LI U Su f a n g ，LI J i a n l i n ，P AN M i ng ，F AN G Zho n g h u a (1 S h a n g h a i I n s t i t u t e of T e c h n i c a l P h y s i c s o ft h e C h i n e s e A c a d e m y o fS c i e n c e s，S h a n g h a i 2 0 0 0 8 3，C h i n a；2 No 5 0 R e s e a r c h I n s t i t
4、u t e o fC h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n，S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3，C h i n a；3 U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ofC h i n a,B e ij i n g 1 0 0 0 3 9，C h i n a；)Ab s t r a c t：As t h e Lo n g Li n e a r I n fra r e d Se
5、 ns o r s a r e n ow wi de l y us e d i n t h e s c a n ni ng s ys t e m s，t he p r e pr o c e s s i n g of t h e c o r r e s po n di ng r e mo t e s e ns i n g i m a ge s i s be c o mi n g m o r e a nd mo r e i mp o r t a nt Di s l oc a t i o n Co r r e c t i o n o f Lon g I nfra r e d Li n e a r S
6、 e ns o r i s a n i m p o r t a nt pa rt of i m a ge pr e p r oc e s s i n g a n d t he r e s e a r c h o f t he us e d m e t ho d s ha s g r e a t a p p l i c a t i o n va l ue I n t hi s pa pe r,M e t h od s o f Di s l o c a t i o n Co rre c t i o n o f mu l t i e l e me n t De t e c t o r b e t w
7、e e n pi xe l s a nd t h a t a mo ng mo du l e s a r e pu t f o r wa r d a nd i mpl e m e nt e d i n FPGA The r e s ul t s h o ws t h e me t ho ds pu t u p i n t he pa pe r c a n e f f e c t i ve l y e l i mi na t e t h e d i s l oc a t i o n of i ma g e s a nd c a n g r e a t l y i mp r o ve t h e
8、l oc a t i o n d i s t o r t e d i ma g e q u a l i t y Ke y wor ds：l o ng i n fra r e d l i n e a r d e t e c t o r；r e mot e s e n s i ng i m a g e；i m a ge p r e pr oc e s s i ng；d i s l o c a t i o n c o rre c t i o n 引言 星载遥感成像技术是 2 0 世纪 7 0年代发展起来的 重大科技成就之一，在科学研究、国防建设和对地观 测应用 中有及其重要的地位p 。对于使用红外长
9、线列 探测器以多元并扫的方式获取图像数据的扫描系统，由于红外长线列探测器有其 自身的特点，需要进行一 系列的预处理工作。如为了减少线列探测器的读 出时 间，探测器设置多个输 出通道，每个通道的数据起始 点在线列中不同位置上，因此数据需要进行位置调整 以恢复真实的线列图像 厶 制；同时，由于工艺的因素，红外线列探测器通常是错位排列，探测器读出的一行 数据 与真实的图像的空 间位置并非一一对应，需要重 新排列，即进行红外长线列探测 器位置校正。因此，为便于后续的 图像处理和使用，在把遥感图像付诸应 用之前必须进行位置校正以消除图像畸变，提高 图像 质量，而一个实时有效的处理方法对于遥感图像的预 处
10、理工作有着重要的意义。本 文主要针对多元红外长线 列探测器模块 内像 元错位和模块问位置错位，提 出并用 F P G A实现 了一 种红外长线列探测器位置错位校正方法。收稿 日期：2 0 0 9 0 8 2 5 作者简介：刘素芳(1 9 8 4 一)，女，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方 向为红外遥感信息预处理。6 2l 第 3 1 卷 第 1 1 期 2 0 0 9年 l 1 月 红 外 技 术 I n f r a r e d T e c h n o l o g y V0l-31 NO 1 1 NOV 2 00 9 1 红外长线列探测器位 置错位校正方法 1 I 位置错位形成原因 由于工艺上
11、限制，红外长线列探测 器一般 由几 个子模块拼接而成。探测器模块内像元与像元(如图 1 所示)，模块与模块问错开排列(如图 2 所示)，形成品字 型排列，直接推扫成像将出现畸变，空间连续性被打 乱。1 2 校正方法及其 F P GA实现 位置错位校正实质上是数据的重新排列，实现变 换模型的基本思想是通过读取地址 的变换来实现数 据的校正，需要考虑数据 的连续性和变换实时性。将排序前视为“乱序”，从硬件实现方式上考虑，可以采用两种方法。其一是前人经常采用 的方法，基 于双 口 R A M，经过非均匀性校正后 的数据按乱序输 入，缓存后通过 F P G A控制地址线交替读出正常顺序 的数据，完成模
12、块问、模块 内的品字形校正。其二是 基于 S RA M，通过多片 S R AM 的读写乒乓操作来完 成校正。前人采用三片 S RA M 设计非对称乒乓 RA M。6 2 2 毙 f 为了节约硬件资源，减小 电路板尺寸，本文选用两片 高速 S RA M，设计乒乓 RA M 模块实现模块问品字形 校正，如图 3所示。1)模块内校正 片 内校正 的功 能是完成 图像数据 的模块 内顺序 排列和模块 内品字形校正，模块 内像元位置见图 4。采用 F P GA内部的 B l o c k R A M 实现，由于输入的数据 是按模块交替输出，因此首先要进行数据在探测器轴 线上的顺序排列，然后通过设置行缓冲
13、的方式，交替 读出数据。片内设置了 4 个 2 k X 8 b i t s 的B l o c k R AM进行 2 行 模块 内顺序排列，再设置 8个 2 k X 8 b i t s 的B I o c k R AM 进行 4行后级的缓冲，用于模块 内品字形校正。品字形校正 的正程帧和逆程帧 实现 的差异只是 校正的交替读取时序相反，在此只列出正程帧校正的 示意图，如表 1。(设奇数像元与偶数像元有 个像 元的间距，此处以 M=2为例)。l I 箭 奇 图 1 模块 内探测器光敏元排列 图 2 探测器子模块排 列 5 模 块 3 3 错位校正流程图 像 儿问 第 3 1 卷 第 1 1 期 2
14、0 0 9年 1 1 月 刘 素芳等：红外长线列探测器位 置错 位校正方法 Vo1-3l NO 1 1 No v 2 00 9 第 1 行 2 r l J 3 J 描i一i 山；，t 行 l J L 筇 l r 2 j 1 j 31 1 l 图4 模块内像元位置 F i g 4 Th e l o c a t i o n o f p i x e l s i n o n e mo d u l e 表 1 模块 内校正示意 Ta b l e 1 T h e c o r r e c t i o n b e t we e n pi x e l s i n o n e mo d u l e 写入操作 读
15、出操作 第 4行 第 3行偶数单元，第 1 行奇数单元 第 1 行 第 4行偶数单元，第 2行奇数单元 第 2行 第 1 行偶 数单元，第 3行奇数单 元 第 3行 第 2行偶数单元，第 4行奇数单元 2)模块间位置校正 经过 片 内校正后，输 出的数据在模 块 内部是顺 序，而外部是行错位，需要继续进行模块问位置校正。可以采用三片高速 S R AM，设计非对称乒乓 R A M，在一个 RA M 写入数据的同时，另外两个 RA M 进行 数据读取。但是由于使用环境 的限制，我们希望所使 用的硬件资源越少越好。为了节约硬件资源，我们采 用两片 S RA M 设计对称 的乒乓 RA M，在一个 R
16、A M 写入数据 的同时，另外一个 RA M 进行数据读取。(设 偶模块与奇模块有 个像元 的间距，图 5中 A，B，C，F各包括 行数据)。但是如果直接采用两片 S RA M 设计对称的乒乓 RA M，存在一个 RA M 要 同时读写的矛盾，如表 2所 示，可能会 出现每个乒乓操作丢失 行数据的现象。为了解决这个矛盾，我们采用表 3所示方案，成功的 解决了上述 问题，实现了模块间的位置校正。表 2 模块外校正读写矛盾示意图 T a b l e 2 W r i t i n g a n d r e a d i n g c o n fl i c t o f c o r r e c t i o n
17、a m o n g mo d u l e s 周期 写入 操作 读出操作 O Rl R 2 前 行奇数模块，R 2后 行偶数模块 1 R1 R2后 行奇数 模块，Rl 前 行偶数模块(R1 读写 矛盾)2 R 2 RI 前 =v 行奇数模 块，Rl 后 行偶 数模块 3 R 2 R1 后 行奇数模块，R 2前 行偶 数模 块(R 2读写矛盾)表 3 模块外校正解决方案 示意图 Ta b l e 3 S o l u t i o n t o c o rre c t i o n a mo n g m o d u l e s 周 期 写入操作 读 出操作 0 RI(A奇1 1 R 2(B奇1 读 A奇
18、+B偶(3 k S R AM 直接送出1 2 R1(C奇)读 B奇+C偶(不入 S R A M 直接送 出)3 R 2(D奇)读 C奇+D偶(不入 S R AM 直接送 出)D E J F J 5各模 块间位置 Fi g 5 Th e l o c a t i o n o f e v e r y mo d u l e 由于正程帧扫描开始的 J V行数据和逆程帧扫 描结束的 M+J V行数据不完整，不能进行用来校正应 予以丢弃。3)校正结果 通过未进行错位位置校正 的图 6可以看出，由于 品字型问题的存在，直接推扫所成的图像 出现 了畸变，空间连续性被打乱。图 7表 明品字形校正后 图像错位 现象
19、被消除，图像得到了恢复，保证了图像 的质量。图 6 未进行位 置错位 校正 F i g 6 I ma g e b e f o r e Di s l o c a t i o n Co r r e c t i o n 6 2 3 鼋 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 第 3 1 卷 第 1 1 期 2 0 0 9年 1 1 月 红 外 技 术 I n f r a r e d T e c h n o l o g y V_0 1 31 N O V NO 1 1 2 009 6 2 4 7 位置错位校正后 图 Fi g 7 I ma ge a f t e r Di s l oc a t i
20、 o n Co r r e c t i o n 2 结论 本文针对多元红外长线列探测器模块 内像元错 位和模块间位置错位，提出了红外长线列探测器位置 错位校正的新方法，并用 F P G A成功的实现，对输入 的非均匀性校正后的数据，能很好的将图像的错位消 除，提高了图像的质量。尤其是模块间的校正，不仅 达到了要求的精度和速度，而且相对于前人使用的 3 片 S R AM，本文采用的两片 S R AM 乒乓交替的方法 节约 了硬件资源，缩小了电路板尺寸，具有较高的实 用价值。参考文献：1 代少升，张天骐红外焦平面阵列多点校正方法的改进 J 红外技术 2 0 0 7，2 6(8)：4 6 8-4 7 1 2 陈超群，尹球，匡定波 双面镜多元并扫遥感 图像的几何校正方法 J 红外，2 0 0 7，2 8(7)：】7，2 2 3 蔡海蛟，徐蒙，危峻 推扫式红外相机数据处理系统原理与设计 J 半导体光电，2 0 0 7，2 8(3)：4 4 7 4 5 0 4 林常青，孙胜利，陈桂林-z J b 扫描系统图像采集与预处理的实现 J 光电工程，2 0 0 6，3 3(z 1)：3 4 3 7