CN104251742A - 基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，它包括两点线性非均匀校正和基于目标、环境的二元非线性非均匀校正；其中两点线性非均匀校正包括以下子步骤：使焦平面通过光学***与平面黑体源对准；计算每一探测元在高、低温下的响应平均值及所有探测元的响应平均值；计算每一探测元的校正增益和偏移量，分别存储在查找表内，以供校正时取用；根据查找表(LUT)内的增益和偏移量系数，对红外图像进行校正。本发明可以比较全面的描述焦平面探测器的响应特性，并且充分考虑资源开销、功耗和应用场合对精度的不同需求，能够有效提高红外热像仪的成像质量，降低焦平面非均匀性。

Description

基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法

技术领域

本发明涉及一种非均匀校正方法，尤其涉及一种基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法。

背景技术

由于制造过程中的差异，非制冷红外焦平面阵列(Focal Plane Array，简称FPA)探测器中的每个探测元的光谱响应特性存在差异，称其为非均匀性。非均匀性表现为探测器输出图像中叠加在场景上的固定图案噪声(Fixed Pattern Noise，简称FPN)。该噪声严重影响图像质量，不利于目标检测、识别等应用，需要通过校正进行抑制甚至消除。由于非均匀性随时间以及环境条件的变化而漂移，仅在使用前进行一次基于标准黑体的标定是不够的。但在使用过程中周期性进行基于黑体的标定不但需要中断工作状态，而且需要额外的光学、机械设备。基于场景的方法可利用图像中的场景或目标运动实现非均匀性校正，不需要额外设备，不需要中断工作状态，因而得到广泛研究与应用。

近年来，NUC技术得到很大的发展，大致可以分为两类，一类是基于参考辐射源的校正算法，如两点或多点校正技术，他们需要已知的参考辐射校正源，而且在实际***中，为了降低探测器相应特性漂移对校正效果的影响，需要对***进行周期性的重复定标，这就相应的增加了***的复杂性，并影响了***的正常工作，降低了***的可靠性，但该方法是一种较成熟的非均匀性校正算法，最大优点就是算法实现的简单性，易于在实时***中实现。

另一类是基于场景的校正算法，是利用不同的现代信号理论建立的一类算法，如常数统计、时间高通滤波器技术、卡尔曼滤波算法等；基于场景的NUC算法利用场景中的信息来获得校正参数，因而可在不同程度上消除参数特性漂移对NUC性能的影响，是目前校正算法发展的趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以比较全面的描述焦平面探测器的响应特性，并且充分考虑资源开销、功耗和应用场合对精度的不同需求，能够有效提高红外热像仪的成像质量，降低焦平面非均匀性的基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，它包括两点线性非均匀校正和基于目标、环境的二元非线性非均匀校正；其中两点线性非均匀校正包括以下子步骤：

S11：使焦平面通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面的整个视场；

S12：控制黑体辐射源的温度在TL；

S13：测量焦平面每个探测元的响应值y_ij(φL)，该测量值在一个预先设定的曝光时间内完成，响应值存储在第一存储单元；

S14：重复步骤S13，在大量设定的时间内完成大量的测试数据，重复次数为8～10次；

S15：计算每个探测元在TL下的响应平均值

S16：计算所有探测元的响应值的平均值V_L；

S17：设置黑体辐射源的温度在TH，且TL<TH；

S18：重复步骤S13～S16，计算每一探测元在温度TH下的响应平均值及所有探测元的响应平均值V_H；

S19：计算每一探测元的校正增益G_ij和偏移量O_ij，分别存储在查找表(LUT)内，以供校正时取用；

S110：根据查找表(LUT)内的增益和偏移量系数，对红外图像进行校正，得到校正后输出y_ij(n)；

基于目标、环境的二元非线性非均匀校正包括以下子步骤：

S21：使红外焦平面探测器通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器阵列上，并充满红外焦平面探测器的整个视场，并将黑体辐射源的温度控制在某一温度定标点上；

S22：在一个温度范围内的八个定标点温度条件下，很到八组红外焦平面探测器的各个探测单元的响应值；

S23：在每一定标温度点上对于整个红外焦平面探测器的所有探测单元的响应值进行平均，获得其在八个温度定标点处的八个平均响应值；

S24：对前两步获得的8组定标点响应数据和平均响应值进行最小二乘曲线拟合，获得每个探测单元的校正参数e、g、h，并将这些校正参数保存；

S25：最后对需要进行校正的图像数据带入校正函数Z’＝eZ²+gZ+h，进行非线性非均匀性校正输出。

所述步骤S19中每一探测元的校正增益G_ij的计算公式为：

$G_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H-V_L}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)}.$

所述步骤S19中每一探测元的偏移量O_ij的计算公式为：

$0_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-V_L{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-{\stackrel{\_}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}.$

所述步骤S110中的输出为：

y_ij(n)＝G_ij(n)x_ij(n)+O_ij(n)；

x_ij(n)为n时刻像素(i，j)非均匀性校正前的输出，y_ij(n)为n时刻像素(i，j)两点非均匀性校正后的输出。

本发明的有益效果是：本发明支持两点线性校正和二元非线性非均匀性校正两种方法，可以通过软件配置进行算法选择，充分考虑了目标温度和环境温度对焦平面探测器非均匀性的影响因素，可以比较全面的描述焦平面探测器的响应特性，并且充分考虑资源开销、功耗和应用场合对精度的不同需求，能够有效提高红外热像仪的成像质量，降低焦平面非均匀性。

附图说明

图1为本发明红外像素响应示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，它包括两点线性非均匀校正和基于目标、环境的二元非线性非均匀校正；其中两点线性非均匀校正包括以下子步骤：

S11：使焦平面通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面的整个视场；

S12：控制黑体辐射源的温度在TL；

S13：测量焦平面每个探测元的响应值y_ij(φL)，该测量值在一个预先设定的曝光时间内完成，响应值存储在第一存储单元；

S14：重复步骤S13，在大量设定的时间内完成大量的测试数据，重复次数为8～10次；

S15：计算每个探测元在TL下的响应平均值

S16：计算所有探测元的响应值的平均值V_L；

S17：设置黑体辐射源的温度在TH，且TL<TH；

S18：重复步骤S13～S16，计算每一探测元在温度TH下的响应平均值及所有探测元的响应平均值V_H；

S19：计算每一探测元的校正增益G_ij和偏移量O_ij，分别存储在查找表(LUT)内，以供校正时取用；

S110：根据查找表(LUT)内的增益和偏移量系数，对红外图像进行校正，得到校正后输出y_ij(n)。

假设红外探测元的响应为线性响应，如图1(a)所示。从图中可以看出非制冷红外热成像***的基本理论各探测元在相同输入条件下，具有不同的输出特性。输入输出曲线截距的不同反映了探测器的噪声电流的不均匀性，曲线斜率的不同反映了响应率的不均匀性，非均匀性校正就是使相同辐射条件下的探测器的响应曲线重合于一条曲线，为此设定一条标准曲线，将各探测元的响应曲线分别做旋转和平移变换，可得到图1(b)和图1(c)所示的曲线，最终使探测元的响应曲线完全重合。

基于目标、环境的二元非线性非均匀校正包括以下子步骤：

S21：使红外焦平面探测器通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器阵列上，并充满红外焦平面探测器的整个视场，并将黑体辐射源的温度控制在某一温度定标点上；

S22：在一个温度范围内的八个定标点温度条件下，很到八组红外焦平面探测器的各个探测单元的响应值；

S23：在每一定标温度点上对于整个红外焦平面探测器的所有探测单元的响应值进行平均，获得其在八个温度定标点处的八个平均响应值；

S24：对前两步获得的8组定标点响应数据和平均响应值进行最小二乘曲线拟合，获得每个探测单元的校正参数e、g、h，并将这些校正参数保存；

S25：最后对需要进行校正的图像数据带入校正函数Z’＝eZ²+gZ+h，进行非线性非均匀性校正输出。

所述步骤S19中每一探测元的校正增益G_ij的计算公式为：

$G_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H-V_L}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)}.$

所述步骤S19中每一探测元的偏移量O_ij的计算公式为：

$0_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-V_L{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-{\stackrel{\_}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}.$

所述步骤S110中的输出为：

y_ij(n)＝G_ij(n)x_ij(n)+O_ij(n)；

x_ij(n)为n时刻像素(i，j)非均匀性校正前的输出，y_ij(n)为n时刻像素(i，j)两点非均匀性校正后的输出。

Claims (4)

1.基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，其特征在于：它包括两点线性非均匀校正和基于目标、环境的二元非线性非均匀校正两个步骤；其中，两点线性非均匀校正包括以下子步骤：

S11：使焦平面通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面阵列上，并充满焦平面的整个视场；

S12：控制黑体辐射源的温度在TL；

S13：测量焦平面每个探测元的响应值y_ij(φ_L)，该测量值在一个预先设定的曝光时间内完成，响应值存储在第一存储单元；

S14：重复步骤S13，在大量设定的时间内完成大量的测试数据，重复次数为8～10次；

S15：计算每个探测元在TL下的响应平均值(φ_L)；

S16：计算所有探测元的响应值的平均值V_L；

S17：设置黑体辐射源的温度在TH，且TL<TH；

S18：重复步骤S13～S16，计算每一探测元在温度TH下的响应平均值(φ_H)及所有探测元的响应平均值V_H；

S19：计算每一探测元的校正增益G_ij和偏移量O_ij，分别存储在查找表(LUT)内，以供校正时取用；

S110：根据查找表(LUT)内的增益和偏移量系数，对红外图像进行校正，得到校正后输出y_ij(n)；

基于目标、环境的二元非线性非均匀校正包括以下子步骤：

S21：使红外焦平面探测器通过光学***与平面黑体源对准，黑体辐射均匀照射在红外焦平面探测器阵列上，并充满红外焦平面探测器的整个视场，并将黑体辐射源的温度控制在某一温度定标点上；

S22：在一个温度范围内的八个定标点温度条件下，很到八组红外焦平面探测器的各个探测单元的响应值；

S23：在每一定标温度点上对于整个红外焦平面探测器的所有探测单元的响应值进行平均，获得其在八个温度定标点处的八个平均响应值；

S24：对前两步获得的8组定标点响应数据和平均响应值进行最小二乘曲线拟合，获得每个探测单元的校正参数e、g、h，并将这些校正参数保存；

S25：最后对需要进行校正的图像数据带入校正函数Z’＝eZ²+gZ+h，进行非线性非均匀性校正输出。

2.根据权利要求1所述的基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，其特征在于：所述步骤S19中每一探测元的校正增益G_ij的计算公式为：

$G_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H-V_L}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)}.$

3.根据权利要求1所述的基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，其特征在于：所述步骤S19中每一探测元的偏移量O_ij的计算公式为：

$O_{\mathrm{ij}}=\frac{V_H{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-V_L{y}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}{{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_L\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{y}}_{\mathrm{ij}}\left({\mathrm{\&phi;}}_H\right)}.$

4.根据权利要求1所述的基于两点线性和目标、环境的二元非线性红外探测器非均匀性校正方法，其特征在于：所述步骤S110中的输出为：

y_ij(n)＝G_ij(n)x_ij(n)+O_ij(n)；

x_ij(n)为n时刻像素(i，j)非均匀性校正前的输出，y_ij(n)为n时刻像素(i，j)两点非均匀性校正后的输出。