红外图像为什么会有条纹、坏点和固定纹理？ 从非均匀性校正、盲元补偿到两点标定讲清楚

导语

Prologue

为什么金属最难用热像仪测温？ 低发射率、反射和氧化层一次讲清

很多人第一次看到红外探测器的原始图像，会有一个疑问：

为什么红外图像不是天然干净的？

明明是高端探测器，画面里却可能出现：

一根根竖条纹；

一排排横条纹；

固定不动的纹理；

零散亮点、暗点；

边缘变暗；

图像整体漂移；

温度测量不稳定。

这并不奇怪。

因为红外探测器输出的第一帧图像，通常不是“成品图像”，而是一张带着材料差异、ROIC差异、互连差异、温度漂移和光学背景的原始数据图。

真正可用的红外图像，是经过一系列校正后得到的。

其中最关键的三件事就是：

非均匀性校正，解决每个像元响应不一样的问题；

盲元补偿，解决坏点、死点、异常点的问题；

两点标定，建立原始灰度与真实辐射之间的校正关系。

一、红外图像的本质：不是照片，而是二维响应矩阵

可见光相机拍到的是反射光形成的图像。

红外热像仪看到的，则是目标自身发出的热辐射，或者目标反射、透过的红外辐射。

在焦平面阵列中，每一个像元都会输出一个数字值。

比如一个640×512红外探测器，本质上就是输出一个：

640×512的二维数字矩阵。

每个数字代表一个像元在某一帧中接收到的红外辐射响应。

理想情况下：

同样的红外辐射照到所有像元上，所有像元应该输出一样的数值。

但现实中并不是这样。

即使让整个焦平面看向一个温度均匀的黑体，原始图像也可能不是一片平整灰色，而是带有明暗纹理、条纹和坏点。

这就是红外成像里最典型的问题：

固定图样噪声，FPN

FPN全称是：

Fixed Pattern Noise，固定图样噪声。

它的特点是：

图像里的某些纹理、条纹、亮点和暗点，会固定在同一个像素位置上。

它不是目标本身的结构，而是探测器系统自己的“指纹”。

二、为什么每个像元的响应不一样？

红外焦平面阵列看起来是一整块芯片，但从信号角度看，它其实是几十万甚至上百万个微型探测器同时工作。

每一个像元都可能有轻微差异。

这些差异来自多个环节。

1. 探测材料本身不可能绝对均匀

以HgCdTe、InSb、T2SL、QWIP等制冷型探测器为例，探测材料的外延、组分、厚度、缺陷密度、掺杂浓度都可能存在微小变化。

这些微小变化会带来：

响应率不同；

暗电流不同；

噪声不同；

截止波长不同；

温度敏感性不同。

于是，同样的红外光照到不同像元上，输出并不完全一致。

这就是非均匀性的第一层来源。

2. 像元加工带来尺寸和结构差异

像元并不是一个简单平面。

它可能涉及：

台面刻蚀；

钝化层；

电极；

吸收层；

反射结构；

微结构隔离；

光敏面积；

像元间串扰。

如果像元尺寸、形貌、边缘损伤或钝化质量有差别，不同像元对红外辐射的响应就会不同。

有些像元偏亮，有些偏暗，有些噪声更大。

3. 铟柱互连可能引入异常点

在混合型制冷红外焦平面中，探测器阵列和ROIC之间通常通过铟柱互连。

每个探测像元需要通过一个微小铟柱连接到对应的ROIC输入节点。

如果某个铟柱：

没有压接好；

接触电阻异常；

开路；

短路；

低温热循环后失效；

对应像元就可能成为坏点。

所以红外图像里的某些亮点、暗点、死点，不一定是探测材料坏了，也可能是互连问题。

4. ROIC读出电路本身也有差异

ROIC不是一个完全理想的“读数器”。

它包含大量像元级积分电路、行列开关、列放大器、多路复用器和输出通道。

这些电路存在：

偏置差异；

积分电容差异；

放大器增益差异；

列通道失配；

输出通道噪声；

ADC量化差异。

因此，图像里的条纹很多时候和ROIC有关。

尤其是竖条纹，常常与列读出通道、列放大器、多通道输出不一致有关。

横条纹则可能和行选通、行级驱动、扫描时序或电源耦合有关。

5. 温度漂移会让校正关系改变

红外探测器非常敏感。

焦平面温度、杜瓦冷屏温度、镜头温度、环境温度、电子学温度的变化，都可能导致输出发生漂移。

即使在同一个目标场景下，图像背景也可能慢慢变亮或变暗。

这就是为什么很多红外热像仪需要定期做快门校正，也就是常说的FFC。

6. 光学系统也会制造“非均匀”

有些图像不均匀并不是FPA本身造成的，而是光学系统带来的。

例如：

镜头边缘透过率下降；

光学渐晕；

冷光阑与镜头F数不匹配；

杂散光；

镜头自身热辐射；

滤光片膜层不均匀；

杜瓦窗口透过率不均匀。

这些都会让画面中心和边缘响应不同。

所以非均匀性校正并不只是“修探测器”，它修的是整个红外成像链路。

三、条纹、坏点、固定纹理分别对应什么问题？

红外图像异常可以大致分成三类。

1. 条纹：通常是“通道级差异”

条纹最常见的是竖条纹和横条纹。

竖条纹

竖条纹往往说明不同列之间存在系统性差异。

可能来源包括：

列放大器增益不同；

多输出通道偏置不同；

ADC通道不一致；

ROIC列级电路失配；

列级校正参数不准确；

电源或时钟耦合到某些列。

如果某一列整体偏亮或偏暗，就会形成一条竖线。

如果很多列都有轻微差异，画面就会出现细密竖纹。

横条纹

横条纹通常和行扫描、行选通或时序相关。

可能来源包括：

行驱动电路差异；

行复位不一致；

读出时序不稳定；

积分时间切换异常；

某些行存在偏置漂移；

外部干扰与行频发生耦合。

横条纹有时候更像“扫描痕迹”。

2. 坏点：通常是“单像元异常”

坏点也叫盲元、缺陷像元或异常像元。

它可以表现为：

永远很亮的点；

永远很暗的点；

完全没有响应的点；

响应明显偏低的点；

噪声特别大的点；

随机闪烁的点；

温度变化时漂移异常的点。

坏点可能来自探测材料、像元加工、铟柱互连、ROIC输入节点，也可能来自后级读出链路。

坏点不是完全不能接受。

实际工程中，高分辨率FPA通常允许存在一定比例的坏点，只要坏点数量、分布和补偿效果满足指标要求即可。

真正麻烦的是：

坏点成团、成线、成片，或者随时间不断增加。

3. 固定纹理：通常是“像元级响应差异”

固定纹理不像单个坏点那么尖锐，也不像条纹那么规则。

它更像一层贴在图像上的灰度纹路。

这种纹理通常来自像元之间的响应差异和暗电流差异。

在红外成像中，它特别影响低对比度目标的识别。

因为红外目标有时本身温差很小，如果固定纹理比目标信号还明显，目标就会被淹没在背景纹路里。

四、非均匀性校正NUC到底在校正什么？

NUC全称是：

Non-Uniformity Correction，非均匀性校正

它的目标很简单：

让所有像元在面对同样辐射时，输出尽可能一致。

换句话说，NUC不是为了让图像“更好看”这么简单，而是为了消除探测器系统自身带来的固定差异。

一个常见的简化模型是：

某个像元的原始输出 = 像元增益 × 入射辐射 + 像元偏置

不同像元的问题主要有两类：

第一类：偏置不同

即使没有目标信号，不同像元的基础输出也不一样。

这叫偏置差异。

它会导致图像整体出现固定亮暗背景。

第二类：增益不同

同样增加一份红外辐射，不同像元输出增加的幅度不一样。

这叫增益差异。

它会导致图像对比度和灰度响应不一致。

所以NUC要做的事，就是给每个像元建立自己的校正参数。

常见形式可以理解为：

校正后输出 = 原始输出 × 增益校正系数 + 偏置校正系数

也就是说，每个像元都有一套自己的“修正公式”。

五、一点校正：主要修偏置

最简单的NUC方法是一点校正。

它通常让探测器看一个温度均匀的参考面，比如内置快门或均匀黑体。

此时理想情况是所有像元输出一致。

如果某些像元偏亮，就减掉一部分；

如果某些像元偏暗，就补上一部分。

一点校正主要解决的是：

偏置非均匀性

它的优点是：

快；

简单；

可以在机器内部完成；

适合现场更新；

适合补偿短期温度漂移。

很多红外热像仪使用的快门校正，本质上就是一种现场偏置校正。

你可能见过热像仪工作一段时间后，画面突然卡顿一下，内部发出轻微“咔哒”声。

这通常是快门片落下，让探测器看一个相对均匀的参考面，然后重新计算偏置校正。

这一步可以明显减少漂移和固定纹理。

但一点校正有局限。

它不能充分解决不同像元“响应斜率不同”的问题。

也就是说，它主要把某一个温度点校平，但换到另一个温度范围，图像仍可能不均匀。

六、两点标定：同时修增益和偏置

两点标定是红外探测器和热像仪中非常核心的标定方法。

它通常需要两个不同温度的均匀黑体。

例如：

低温黑体；

高温黑体。

让探测器分别看这两个黑体，记录每个像元在两个辐射水平下的输出。

对于每一个像元来说，我们可以得到两个点：