红外热成像传感器非均匀性校正（NUC）的硬件实现与调试

红外焦平面阵列（IRFPA）的每一个像元，从 InSb、MCT 到非制冷 VOₓ/uA 微测辐射热计，响应率天生不一致——同温度黑体照下去，输出灰度能差 30%。裸图就是"麻点 + 竖条纹"，没法用。NUC（Non-Uniformity Correction，非均匀性校正）就是把每个像元的响应拉平到同一基准，硬件侧分"片上 NUC + 外置标定系数"两段走。下面以国产非制冷 400×300 / 640×512（VOₓ，NETD < 40 mK）为主线。

一、NUC 的三种硬件实现路径

1. 一点校正（Single-Point，室温单标定）

只在室温 T0 下一次标定，每个像元存一个 Offset，Gain 默认 1。公式：Y_corr[i,j] = Raw[i,j] - Offset[i,j]。

硬件最简单——sensor 的 ISP/ASIC 里给一片 SRAM（400×300×12 bit ≈ 1.44 Mb）存 Offset 表，上电从 OTP/eFlash 加载，实时减。但温漂大（VOₓ 的 Tc1 ≈ -2%/℃，Tc2 ≈ -5%/℃²），环境温度变 10℃，均匀性从 0.5% 飘到 3%，只适合恒温小像元场景。

2. 两点校正（Two-Point，主流）

用低温黑体 T1（如 20℃）+ 高温黑体 T2（如 50℃）各拍一张，每像元算：

/* 两点系数标定（上位机或 MCU 算完写 Sensor 寄存器）*/

for (i = 0; i < H; i++) {

   for (j = 0; j < W; j++) {

       Gain[i][j]  = (T2 - T1) / (Raw_T2[i][j] - Raw_T1[i][j]);

       Off[i][j]  = T1 - Gain[i][j] * Raw_T1[i][j];

       /* 写 Sensor 的 Gain/Off RAM */

       sensor_write_reg(GAIN_BASE + addr, float_to_u16(Gain[i][j]));

       sensor_write_reg(OFF_BASE  + addr, float_to_u16(Off[i][j]));

   }

}

实时路径：Raw → ×Gain → +Off → 输出。主流国产 sensor（如 Guide IR510、海康 H 系）ASIC 里 Gain/Off 双 12-bit RAM 是标配，640×512 双表约 6.7 Mb SRAM。

3. 多点+非线性（高端制冷款）

InSb/MCT 响应非线性强，3–5 点黑体（如 -20/0/20/40/60℃）分段拟合二阶多项式，系数存 ROM。非制冷 VOₓ 一般两点够用，高温段（> 80℃）才补第三点。

二、盲元处理（DPC）和 NUC 的绑定

NUC 解决"响应不一致"，但还有"死像元/响应过低像元"——VOₓ 典型盲元率 0.1–0.5%。DPC 一般跟 NUC 同硬件路径走：

• 盲元表：OTP 里存盲元坐标 bitmap（1 bit/像元），640×512 → 320 字节够

• 替换算法：实时流里盲元位置用 4/8 邻域中值或均值替（中值抗边缘假影更好）

/* 实时 NUC + DPC 流水线（Sensor 内部 ISP 逻辑）*/

pixel_raw = fifo_read();

addr = i * W + j;

if (dpc_bitmap[addr]) {

   pixel_out = median_4neighbor(buf, i, j);   /* 盲元：邻域中值 */

} else {

   pixel_out = pixel_raw * Gain[addr] + Off[addr];  /* 正常：两点校正 */

}

国产 sensor 一般把 DPC 放 NUC 前（先替盲再校正），避免盲元把 Gain/Off 算歪；也有反过来放的，看 ISP pipeline 顺序。

三、标定硬件链路

两点标定要的硬件配套：

1. 黑体源：温控精度 ±0.1℃（如 ERC 的 BB701），面源黑体 ≥ 100 mm 口径，覆盖全 FOV

2. 遮光筒：黑体→镜头之间加遮光筒（内壁 Acktar 黑绒），防环境光漏进

3. Sensor 积分时间（Tint）同步：标定 T1/T2 时 Tint 固定（如 VOₓ 给 12 ms），别让 AGV 自动调 Tint，否则 Raw_T1/Raw_T2 差里混了 Tint 变化，Gain 算飘

4. 温控板：Sensor 底板 Therm 电调（非制冷 VOₓ 一般控 25±0.1℃，温漂源头先压住）

标定流程伪代码：

/* 两点标定流程 */

blackbody_set(20); delay(3000);        /* 等黑体温稳 */

capture_frame(Raw_T1);

blackbody_set(50); delay(3000);

capture_frame(Raw_T2);

calc_gain_offset(Raw_T1, Raw_T2, 20, 50);

burn_to_sensor_otp();                  /* 写 OTP / 或存外置 EEPROM */

四、调试三指标

板子回来用黑体 + 均匀面源验证：

1. 非均匀性 NU = σ(V_i)/V_mean（校正后裸图去盲元后算），VOₓ 两点校正后 < 0.3% 算合格，< 0.15% 优秀

2. NETD：黑体 ΔT=1 K，输出灰度差 / 噪声 RMS，400×300 VOₓ 两点校正后应 < 40 mK

3. 盲元替换边缘：对着刀口靶看盲元邻域有无"拉丝"（中值替会稍糊，均值替有拉丝，二选一看场景）

⚠ 温漂验证必做：Sensor 底板 25℃ → 45℃，NU 不应涨 > 50%（两点校正好的一般 25→45℃ 只涨 20%）。涨太多说明 Gain/Off 表是"一点思维"做的，或黑体 T1/T2 温差太小（建议 ≥ 20℃ 跨度）。

五、三个翻车高发点

• 黑体没罩遮光筒：环境光（顶灯、窗户）漏进，Raw_T1/T2 里混了非黑体分量，NU 校正后剩 1–2% 条纹

• 积分时间和黑体不同步：标定 T1 时 Tint=12 ms、标定 T2 时 AGV 自动改成 10 ms（因为 T2 亮），Gain 表里混了 Tint 比，高温段校正后偏暗

• 盲元表中值替过度：运动场景（行人、车）盲元邻域出现"鬼影"，因为中值在边缘处把真实梯度抹了——边缘区改用均值替或 3×3 加权

IR NUC 的真谛：两点校正（T 跨 ≥ 20℃）+ Gain/Off 双 RAM + 盲元中值替前置 + 黑体标定 Tint 锁死 + 25→45℃ 温漂 NU 涨幅 < 50%。这套走完，400×300 VOₓ 的 NETD 压到 35 mK 内，麻点图变均匀灰阶，后续测温算法（ΔT→℃）的误差才能压到 ±2℃ 以内。