專利名稱：基于邊框黑體視場光闌的紅外兩點非均勻性校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對紅外焦平面探測器陣列(Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA)所成圖像的非均勻性校正方法，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外焦平面探測器陣列(IRFPA)具有結(jié)構(gòu)簡單、探測能力強、功耗低、幀頻高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在紅外搜索系統(tǒng)、機載前視紅外系統(tǒng)、成像導(dǎo)引頭和成像跟蹤系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。IRFPA根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類是線陣，一類是凝視型面陣。其中，凝視型面陣探測器由于省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光機掃描結(jié)構(gòu)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于IRFPA中成千上萬個探測元對于同一輻射輸入的光電響應(yīng)不一致，導(dǎo)致圖像質(zhì)量都受到固定背景噪聲(Fixed Pattern Noise, FPN)的污染，也就是所謂的非均勻性。 非均勻性通常表現(xiàn)為空間上隨機分布、時間上集中于低頻的固定模式噪聲，它會隨著工作條件變化而緩慢漂移，并且隨著工作時間的延長而加重。非均勻性噪聲嚴重影響了系統(tǒng)的成像性能，降低了系統(tǒng)的溫度分辨率。利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)對凝視型IRFPA的非均勻性進行校正(Norumiformity Correction, NUC)，可以使均勻性很差的凝視型IRFPA獲得滿意的視覺效果和自適應(yīng)的補償?shù)臏仄肼?，從而提高熱成像系統(tǒng)的溫度分辨率，具有巨大的應(yīng)用價值和實際意義?，F(xiàn)有非均勻性校正方法大致可分為兩類，即基于參考輻射源的校正方法 (Calibration-Based NUC, CBNUC)和基于場景的自適應(yīng)校正方法(Scene-Based NUC, SBNUC)。CBNUC的基本思想是利用參考輻射源為IRFPA器件提供均勻的輻照度，并對每個探測單元的響應(yīng)輸出進行測量，計算出各探測單元的校正因子——增益和偏置。SBNUC的基本思想是計算增益和偏置因子的數(shù)據(jù)不是取自參考源，而是全部或部分來自拍攝場景的信息，該方法不需要遮擋全視場，不影響目標跟蹤，但同時也存在計算量過大等問題。實際工程應(yīng)用中廣泛使用的是一點校正方法(One Point Correction, 0PC)和兩點校正方法(Two Point Correction, TPC)，它們都屬于CBNUC方法。TPC方法假設(shè)探測元的非均勻性由增益參數(shù)G與偏置參數(shù)0決定，通常分別采用高低溫黑體遮擋視場，以獲取校正參數(shù)G與0。此后的每幀圖像與GO進行乘加運算，從而完成非均勻性補償。OPC方法在建模時認為增益參數(shù)G恒等于1，計算時只考慮偏置因數(shù)的影響，校正效果差于TPC方法。 OPC與TPC校正方法在系統(tǒng)工作時需要遮擋視場，會影響系統(tǒng)的正常工作，在目標跟蹤等場合可能會造成目標的丟失。SBNUC方法中的代數(shù)方法通過代數(shù)運算獲取圖像的幀間位移，并最終求得校正矩陣，計算量相對較小，但校正效果相當(dāng)于CBNUC中的OPC方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了能夠有效提高紅外熱像儀的成像質(zhì)量，降低焦平面非均勻性的同時及時補償溫漂噪聲，提出了一種基于邊框黑體視場光闌的紅外兩點非均勻性校正方法，用于凝視型焦平面陣列的非均勻性校正。
本發(fā)明技術(shù)方案的具體實現(xiàn)步驟如下步驟一、改進紅外熱像儀。在紅外熱像儀的光闌處安裝一個可自動伸縮的邊框黑體視場光闌。該視場光闌表面均勻地涂著黑體材料，黑體材料要求有較高的發(fā)射率。光闌設(shè)計成可控溫的，可以通過半導(dǎo)體制冷或水冷的方式進行溫度控制。在機械結(jié)構(gòu)上，光闌設(shè)計成可伸縮的，這樣就可以根據(jù)圖像校正的需要插入與抽出成像視場。邊框黑體視場光闌可伸出的最大范圍為剛好能遮擋住視場的邊緣。邊框黑體視場光闌進入視場的有效邊框?qū)挾萩由兩幀之間最大位移確定，原則為能夠適應(yīng)所有可能的運動方向。為了便于描述，將邊框黑體視場光闌覆蓋下像元所組成的集合定義為P1,未被黑體覆蓋下像元所組成的集合定義為p2。步聚二 .將紅外熱像儀出廠的校正參數(shù)查找表(V O0作為改進后的紅外熱像儀的初始校正參數(shù)，用于對所采集圖像的初始校正。步驟三、進行邊框下的兩點校正。將邊框黑體視場光闌分別在高溫th和低溫、時整個插入視場，得到其覆蓋下探測元所接受到的輻射值χah)和χ(、)后，隨即縮回。邊框黑體視場光闌所覆蓋的探測元(i， j)對高低溫輻射的響應(yīng)為y (i，j，th)與y (i，j，、)，可得邊框黑體覆蓋下探測元的增益校正因子愛與偏置校正因子g(rj)= ,xit^xiId.(U)^P1(1)
■ = χ(〒，”-χ，;Μ){lj)GPi(2)
y(hj,ti)-y(hj,th)步驟四、使用步驟一改進后的紅外熱像儀在兩個場景下分別采集f幀經(jīng)初始校正后的圖像。若相鄰兩幀圖像為一對，則每個場景下都組成f-Ι個幀對；對每個幀對進行幀間位移估計，得到每個場景下f-Ι組幀間位移參數(shù)。其中，幀間位移估計方法可采用基于梯度的位移估計方法、基于投影的位移估計方法、頻域位移估計方法等。步驟五、采用代數(shù)方法獲取步驟四中的某一組有幀間位移的圖像對內(nèi)部探測元的校正參數(shù)。具體代數(shù)方法如下1)設(shè)在場景S下，IRFPA的探測元(i，j)第k幀所接收到的紅外輻射值為xk(i， j，S)，探測元響應(yīng)為yk (i，j，S)，則有yk(i, j, S) = a(i, j)xk(i, j, S)+b(i, j) (i, j) e P2(3)其中a(i，j)表示乘性噪聲，b(i，j)表示加性噪聲。探測元響應(yīng)與紅外輻射值之間呈線性關(guān)系，可得
Xk{l,j,S)=y^L·^(4)本發(fā)明的方法需要確定圖像序列中相鄰幀間亞像元級的位移量。假設(shè)IRFPA的圖像序列中第k幀yk與第k+Ι幀yk+1為一組有二維相對位移的圖像對，yk+1相對yk的位移為(ak, β,), a k表示兩幀之間的垂直位移，向下為正；β k表示兩幀之間的水平位移，向右為正。位移量可表示為整數(shù)和小數(shù)之和，即
=L0U+A*‘ A=LA」+^ft(5)其中，L%」和Δ a k分別表示位移量a k的整數(shù)和小數(shù)部分，L慫」和Δ β k分別表示位移量β k的整數(shù)和小數(shù)部分。雙線性插值時所用的四個系數(shù)Y (1,k), Y (2,k), Y (3,k), Y (4,k)分別為Y (l,k)=ΔakΔ β,
Y (2,k)=Δak(i-l
Y (3,k)=(i-■|Δakl)
Y (4,k)=(i-■|Δakl)
易知Y a,,k) +Y (2.
"kl) Δ ^kI
(6)按照國際慣例約定垂直向下和水平向右的方向為正(其余三個相對運動方向也可類推建模)，則可得到第k+Ι幀的信號輸出雙線性插值估計(/, j, S) = ci(i, j)xk+l (/, j, S) + b(i, j)(7)其中，/= 2 + [%」，3 + [%」工 ’M，_/+ = 2 + [八」，3 + [八」工，#。M，N 分別表示 IRFPA
的垂直與水平分辨率。根據(jù)雙線性插值模型，
之+1 d, j, S) = r(U) (S)xk (/ - k」-W - LA」-1，S) + Y(Xk) (S)xk (/ - h」-W -⑷，s)
+Y(Xk) (S)xk O' - L 」J - LA」_ ！，s)
+―⑶幼-⑷"-⑷，s)為了便于表示，進行簡化，簡化方法如下
(9)
(8)
xd,k)(^)=xAi-I-w-偏-1,S)X(2’t)(X)=I-W-,S)X(3’t)(X)=,J--,S)X(4,k)(^ =ak_I ,J-,S)ax=a(i -LaVJ-w--LAJ-1)，‘\=X(i~[αΛI-W--LAJ-1) 2-a(i -VakJ-1,7-LA」)，K=Xij-J-w.)a3-a(i -K.J ,J-L^J-1)，‘&3 = Xii -L^.J ,J-LAJ-1)a4=a(i -J ,J)，‘K=Xii-LaV\ ,J)
(10)
則式⑶可以簡化為
權(quán)利要求
1.基于邊框黑體視場光闌的紅外兩點非均勻性校正方法，其特征在于具體實現(xiàn)步驟如下步驟一、改進紅外熱像儀；在紅外熱像儀的光闌處安裝一個可自動伸縮的邊框黑體視場光闌；邊框黑體視場光闌進入視場的有效邊框?qū)挾萩由兩幀之間最大位移確定，原則為能夠適應(yīng)所有可能的運動方向；步聚二 .將紅外熱像儀出廠的校正參數(shù)查找表&、O0作為改進后的紅外熱像儀的初始校正參數(shù)，用于對所采集圖像的初始校正； 步驟三、進行邊框下的兩點校正；將邊框黑體視場光闌分別在高溫th和低溫、時整個插入視場，得到其覆蓋下探測元所接受到的輻射值x(th)和Χ(、)后，隨即縮回；邊框黑體視場光闌所覆蓋的探測元(i，j)對高低溫輻射的響應(yīng)為y(i，j，th)與y(i，j，、)，可得邊框黑體覆蓋下探測元的增益校正因子#與偏置校正因子5:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊框黑體視場光闌的紅外兩點非均勻性校正方法，其特征在于步驟一所述的視場光闌表面均勻地涂著有較高發(fā)射率的黑體材料，光闌可通過半導(dǎo)體制冷或水冷的方式進行溫度控制；且光闌為可伸縮的，可伸出的最大范圍為剛好能遮擋住視場的邊緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于邊框黑體視場光闌的紅外兩點非均勻性校正方法，其特征在于步驟八所述的校正方法為對未校正圖像乘以G，再加上0。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種針對紅外焦平面探測器陣列所成圖像的非均勻性校正方法，屬于紅外熱成像領(lǐng)域。本發(fā)明通過在紅外熱像儀的光闌處安裝一個可自動伸縮的邊框黑體視場光闌，進行邊框下的兩點校正，得到邊框黑體覆蓋下探測元的增益校正因子與偏置校正因子；并在兩個場景下分別采集f幀經(jīng)初始校正后的圖像，得到每個場景下f-1組幀間位移參數(shù)。再采用代數(shù)方法獲取f-1組有幀間位移的圖像對內(nèi)部探測元的校正參數(shù)，取幀平均后得到最終的校正矩陣G與0用于后續(xù)紅外視頻整個視場的校正。本方法具有快捷、自適應(yīng)、系統(tǒng)小型化的優(yōu)勢；可用于制冷與非制冷紅外焦平面探測器熱成像系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)制造、星上紅外熱成像系統(tǒng)、紅外告警系統(tǒng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
文檔編號G01J5/00GK102230823SQ20111016533
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者修金利, 劉崇亮, 劉秀, 王霞, 金偉其 申請人:北京理工大學(xué)