CN100561149C - 一种ufpa中无效像元的判别方法 - Google Patents

Abstract

一种UFPA中无效像元的判别方法，属于红外热成像技术领域，涉及在图像的预处理阶段对非制冷红外焦平面阵列(UFPA)中的无效像元的判别方法。本发明根据像元响应特性，采用循环迭代的方法自动搜索出最优的无效像元识别阈值，确定无效像元在焦平面上的分布，形成一个无效像元位置映射表。与现有技术相比，本发明无需根据经验设定无效像元判别阈值；且在循环迭代的过程中，随着无效像元数的增加使得迭代步长逐步缩短，这种变长搜索使得在迭代初期有较快的收敛速度，然后逐步减小搜索步长，使数据接近稳定值时搜索更为精确，从而保证高效，精确的判断无效像元。

Description

一种UFPA中无效像元的判别方法

技术领域

本发明属于红外热成像技术领域，涉及红外焦平面阵列器件，尤其是涉及在图像的预处理阶段对非制冷红外焦平面阵列(UFPA)中的无效像元的判别方法。

背景技术

非制冷型红外焦平面阵列，克服了通常红外技术需要制冷的缺点，使用方便、功耗低、体积小、重量轻，在国防、电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用，在世界经济的发展中正发挥着重要的作用。另一方面，人们对成像质量的要求也越来越高。但由于制作器件的半导体材料的不均匀性、掩膜误差、缺陷、工艺等因素影响，其视频输出幅度会出现不均匀现象，不均匀的极端情况就是无效像元。由于不均匀和无效像元的存在，可能会使所获取的图像信号模糊不清、畸变，甚至使探测器失去探测的能力，而现有的工艺技术状况使得设计具有理想均匀性的红外焦平面探测器难于实现。

在红外成像系统中，UFPA的信号输出是探测单元、读出电路、信号处理电路等各种因素综合的结果，器件和信号通道都可能引起无效像元的产生。器件级的无效像元是指红外探测器阵列自身中的无效像元；信号通道级的无效像元是指成像系统中电荷读出及电子成像过程中由于通道问题使相关像元信号衰减而形成的无效元。引起像元无效的原因很多，归结起来可有如下几个方面：

1)、在UFPA制造过程中，光敏感材料及其中的掺杂浓度的不均匀等都将引起各探测单元光电转换特性曲线的波动和暗电流的变化，当这种不一致性过大时，就形成了无效像元；

2)、1/f噪声也会使探测单元性能恶化，形成无效像元；

3)、信号电荷传输读出的影响，在采用移位读出的UFPA器件中，通道障碍可使相关像元信号衰减而形成无效像元；

4)、UFPA器件工作所处的温度随机变化将影响像元性能，在一定环境温度下，例如过高或过低的工作温度下，部分像元将产生性能劣变，失去探测能力，而成为无效像元。

当然，引起无效元的因素中，主要的还是物理损坏、响应特性的非一致性、读出电路及暗电流的影响。现有的工艺技术状况无法解决这些问题，使得UFPA器件中不可避免的存在着无效像元。无效像元的存在将直接影响系统的成像效果，使输出的图像中出现亮点和暗点，而且无效像元的存在对后继图像处理如非均匀性校正，图像增强等也存在很大影响，引起算法的资源开销增大，甚至导致图像处理算法失效。因此，在图像预处理阶段必须对无效像元进行判别和补偿，以消除无效像元对成像系统的影响。

无效像元的判别至关重要，因为过量判别会增加计算量，同时也会损失图像信息；而判别不足则会影响去噪效果，降低体系对点/斑状目标的检测/跟踪性能。常用的无效像元判别方法有响应率检测法、偏差检测法和噪声检测法。

响应率检测法：响应率检测法是面阵型焦平面无效像元判别的常用方法。响应率(即增益)是无效像元检测的首选判断条件。检测原理如下：根据实际经验确定一个阈值(threshold1)，如果非均匀校正的增益系数gain<1-threshold1或gain>1+threshold1，就判定对应的探测单元为无效像元，否则认为是有效像元。文献(周慧鑫，殷世民，刘上乾，等.红外焦平面器件盲元检测及补偿算法[J].光子学报，2004，33(5)：598-600.)和文献(GB/T 17444-1998，红外焦平面阵列特性参数测试技术规范)给出了具体实现方法。响应率检测法中无效像元的判别阈值是靠经验来设定的，不具有通用性。

偏差检测法：偏差检测法是面阵型焦平面无效像元判别的另一常用方法。检测原理如下：根据实际经验确定一个阈值(threshold2)，此处的阈值与响应率检测法的阈值无关，求出像素点非均匀校正偏差系数(offset)的平均值(average)，如果某个像元的offset<(average-threshold2)或offset>(average+threshold2)，则认为对应的探测单元为无效像元。在非均匀校正中，偏差系数是对暗电流的校正，对环境温度相当敏感。因此，偏差检测法对环境温度变化引起的相对无效像元具有较好的判别能力。但对由物理损坏、响应特性的非一致性等引入的无效像元，则不具有判别能力。

噪声检测法：噪声是一个随机值，遵循统计规律，因此可以用统计方法来获取其特性。对于非制冷红外焦平面，通过测定多帧图像可以得到每个像元的均方根噪声。如果某个像元是无效像元，其均方根噪声一般与其他像元的均方根噪声存在很大的差异，利用这一特性，可以检测焦平面的无效像元。如文献(石岩，毛海岑，张天序，曹治国等，一种新的基于特征直方图分解的红外焦平面阵列无效像元判别方法，红外与毫米波学报，2005，24(2)：119-124.)所述。这种检测方法是通过分析大量的数据，提取数据特征来判别无效像元，故需要海量数据的采集处理，工作量大且繁琐。

发明内容

本发明提出一种结合了UFPA的特征而又不依靠经验来确定判别阈值的UFPA中无效像元判别方法，能够高效、精确地确定无效像元在UFPA中的位置。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：本发明所述的无效像元判别方法是根据像元响应特性，采用循环迭代的方法自动搜索出最优的无效像元识别阈值，确定无效像元在焦平面上的分布，形成一个无效像元位置映射表。与以往依靠经验来设定的无效像元判别阈值相比，本发明采用循环迭代的方法来得到无效像元的判别阈值，更加合理。

本发明详细技术方案如下：

一种UFPA中无效像元的判别方法，包括以下步骤：

步骤1、根据UFPA对两个或两个以上不同辐射度的黑体的响应数据，计算UFPA中各像元的非均匀性校正的增益系数gain。

步骤2、采集UFPA对步骤1中所述辐射度之外的一个黑体的响应数据或采集UFPA对非黑体辐射源的响应数据，并统计UFPA中各像元的响应数据的最小值min及平均值a。

步骤3、设定初始化阈值threshold为1。

步骤4、判断：如果min＜0.1×a执行步骤5，否则执行步骤7。

步骤5、将UFPA中gain<1-threshold或gain>1+threshold的像元判断为无效像元，记录无效像元在UFPA中的位置和个数k；然后采用插值补偿法对所有无效像元进行补偿处理，即采用插值补偿法来计算每一个无效像元新的响应数据来替换对应的无效像元的原响应数据。

步骤6、修改阈值threshold＝threshold-threshold/(b×k+c)，其中b、c为正实数，重新计算增益系数gain、最小值min和平均值a，然后转入步骤4。

步骤7、结束。

由以上操作，最终得到所有无效像元在UFPA中的位置和无效像元个数。

上述方案中，步骤1中所述非均匀性校正的增益系数gain的计算方法一般是采用基于标定的两点或多点非均匀性校正方法。

上述方案中，步骤5中所述插值补偿法是邻域插值补偿方法。具体地说：对于UFPA中四个顶点像元，采用的是二邻域插值补偿法；对于UFPA中四条边界处的像元，采用的是三邻域插值补偿法；对于UFPA中顶点和边界以外的像元，采用的是四邻域或八邻域插值补偿法。

为了方便红外成像后续过程对无效像元的判别结果的利用，可根据步骤7所述的最后一次执行步骤5所得的所有无效像元在UFPA中的位置，制作UFPA中无效像元的位置映射表；所述无效像元的位置映射表为一个具有与UFPA相同行数和列数的行列式，其中，无效像元所在位置的元素值为“1”，有效像元所在位置的元素置为“0”。

本发明在判别UFPA中的无效像元时，随着无效像元数的增加使得迭代步长逐步缩短，这种变长搜索使得在迭代初期有较快的收敛速度，然后逐步减小搜索步长，使数据接近稳定值时搜索更为精确，从而保证高效，精确的判断无效像元。

具体实施方式

下面通过实施实例对本发明作进一步的说明。

针对320×240的红外焦平面无效像元的判别过程可分为三个步骤实现：(1)采集黑体定标数据及图像数据，(2)判别无效像元的位置。

在采集黑体定标数据及图像数据阶段，为消除单次采样数据出现的偶然误差对结果的影响，我们在同一测试条件下对同一目标进行多次采样，计算采样数据的统计平均值，并以此做为目标的响应输出。

在无效像元位置判别阶段，将计算得到的高低温黑体的响应值作为定标数据，计算其增益系数，对图像数据进行非均匀性校正，循环迭代寻找无效像元的判别阈值，区分出有效像元和无效像元；根据最终所有无效像元在UFPA中的位置，制作UFPA中无效像元的位置映射表；所述无效像元的位置映射表为一个具有与UFPA相同行数和列数的行列式，其中，无效像元所在位置的元素值为“1”，有效像元所在位置的元素置为“0”。

Claims (4)

1、一种UFPA中无效像元的判别方法，包括以下步骤：

步骤1、根据UFPA对两个或三个以上不同辐射度的黑体的响应数据，计算UFPA中各像元的非均匀性校正的增益系数gain；所述非均匀性校正的增益系数gain的计算方法是采用基于标定的两点或大于两点非均匀性校正方法；

步骤2、采集UFPA对步骤1中所述辐射度之外的一个黑体的响应数据或采集UFPA对非黑体辐射源的响应数据，并统计UFPA中各像元的响应数据的最小值min及平均值a；

步骤3、设定初始化阈值threshold为1；

步骤4、判断：如果min＜0.1×a执行步骤5，否则执行步骤7；

步骤5、将UFPA中gain＜1-threshold或gain＞1+threshold的像元判断为无效像元，记录所有无效像元在UFPA中的位置和个数k；然后采用插值补偿法对所有无效像元进行补偿处理，即采用插值补偿法来计算每一个无效像元新的响应数据来替换对应的无效像元的原响应数据；

步骤6、修改阈值threshold＝threshold-threshold/(b×k+c)，其中b、c为正实数，重新计算增益系数gain、最小值min和平均值a，然后转入步骤4；

步骤7、结束，同时将最后一次执行步骤5所得的所有无效像元在UFPA中的位置和个数k作为最终UFPA中无效像元的判别结果。

2、根据权利要求1所述的UFPA中无效像元的判别方法，其特征在于，根据步骤7所述的最后一次执行步骤5所得的所有无效像元在UFPA中的位置，制作UFPA中无效像元的位置映射表；所述无效像元的位置映射表为一个具有与UFPA相同行数和列数的行列式，其中，无效像元所在位置的元素值为“1”，有效像元所在位置的元素值为“0”。

3、根据权利要求1或2所述的UFPA中无效像元的判别方法，其特征在于，步骤5中所述插值补偿法是邻域插值补偿方法。

4、根据权利要求3所述的UFPA中无效像元的判别方法，其特征在于，所述邻域插值补偿方法对于UFPA中四个顶点像元来说，采用的是二邻域插值补偿法；对于UFPA中四条边界处的像元来说，采用的是三邻域插值补偿法；对于UFPA中顶点和边界以外的像元来说，采用的是四邻域或八邻域插值补偿法。