CN102410880B - 基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法 - Google Patents

基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法，属于信号探测技术领域。针对传统的基于标准黑体辐射源的盲元检测方法依赖昂贵黑体和固定暗室的条件限制，不能根据需要随时随地进行盲元检测，提出一种通过CPLD编程灵活方便的调整红外焦平面阵列在不同积分时间下的响应输出值，根据响应输出值计算各个探测单元的响应率，依据盲元定义检测盲元。记录不同积分时间下的探测单元响应输出值、盲元检测及盲元补偿。本发明方法实施过程简单，在IRFPA盲元检测中具有应用和推广价值。

Description

基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法
技术领域
本发明涉及信号探测处理技术领域，具体属于红外焦平面阵列盲元检测及补偿方法。 
背景技术
红外焦平面阵列成像系统由于具有灵敏度高，体积小，结构紧凑，作用距离远、抗干扰性好、穿透烟雾能力强、可全天候、全天时工作等优点，已成为红外成像技术发展的趋势，而凝视型红外焦平面阵列已成为未来红外热成像系统发展的主流探测器件。但由于受材料和加工工艺等技术的影响，红外焦平面阵列(IRFPA)各探测单元之间普遍存在响应的差异性，当外界热辐射发生变化时，某一探测单元的响应输出不变或变化缓慢，即形成无效像元(简称盲元)。因盲元的存在导致红外图像出现黑斑和白斑，严重影响红外图像的视觉效果。目前通过改进制造工艺水平来消除盲元，投资巨大并且收效甚微，如果能够通过调整入射的热辐射量来计算各个探测单元的响应率，进而分辨出盲元，并利用现代信号处理技术补偿盲元以提高IRFPA的成像质量，将具有实际理论意义和应用价值。
红外焦平面阵列在一定帧周期和一定动态范围内，像元对每单位辐照功率响应输出的信号电压，称为像元响应率。IRFPA各有效像元响应率的平均值，称为平均响应率。由于焦平面阵列本身的缺陷使部分阵列元响应率过高或过低，此响应率过高或过低的像元通常称为盲元，包括死像元和过热像元。按照国标GB/TI7444-1998《红外焦平面验收测试技术标准》中规定，过热像元是指响应率超过平均响应率10倍的像元，死像元是指响应率低于平均响应率1/10的像元，其中平均响应率为有效像元的平均响应率。
盲元处理包括两个方面：一是盲元检测；二是盲元补偿。对盲元的补偿，通常利用现代信号处理手段来进行；而盲元检测是盲元补偿的前提和基础，如果检测方法不当，会造成盲元漏检和有效像元被盲化的现象，这将引入额外的图像噪声。因此，研究有效的盲元检测方法是促进IRFPA推广和应用的重要性环节。目前国内外已出现多种多样的红外焦平面阵列盲元处理方法。常用的盲元检测方法有如下几种：(1)定义鉴别法：以整帧图像中所有像元的灰度平均响应率的10倍和1/10作为盲元检测的临界阈值，和每个像元的灰度值比较，将灰度值低于1/10和高于10倍的像元记录为盲元。这种方法操作简便，但容易错判漏判。(2)双参考辐射源法：利用两个不同温度的均匀黑体辐照源对红外焦平面阵列进行辐射，得到探测器对高低温黑体响应的差值和像元的平均响应差值。若响应差值大于平均响应差值的10倍或小于平均响应灰度值的1/10时，认定该像元为盲元。另外，还可以根据各个像元在高低温黑体辐射下的响应差值与设定的阈值进行比较，来检测盲元及确定其位置。其中阈值在实际应用中一般采用经验值进行设定，即根据各像元对双参考辐射源的实际响应数据及盲元定义的临界值进行多次迭代以确定阈值，而求解盲元临界值时，需要知道盲元具体数量。显然双参考辐射源法不能对红外焦平面阵列使用过程中产生的随机盲元进行即时检测，其通用性受到限制。(3)预设门限法：将黑体辐照区分为上下两个部分，预设一个比较门限，然后遍历上半区的像元，每个像元对应的灰度值与其后面5个像元和下面5个像元的灰度值做差，若差值大于门限值，则判断该像元为盲元，下半区的像元用类似方法进行判别。这种方法算法简单灵活，运算速度快。但是随着时间和温度的漂移，检测精度将受到影响，因此，该类方法通常需要定期的采用黑体辐照以得到响应差值。这样，不仅需要中断实时成像过程，而且操作复杂。(4)                                                法：盲元理论模型：在温度为
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE002
均匀黑体辐照下，探测器响应及其噪声分布服从正态分布：
Figure 686531DEST_PATH_IMAGE003
。其中，探测器所有探测元灰度均值为，灰度均方差为
Figure 528585DEST_PATH_IMAGE005
。在固定温度条件下，计算一帧图像灰度均值
Figure 923794DEST_PATH_IMAGE004
和该帧图像的平均噪声电压均方差为
Figure 738166DEST_PATH_IMAGE005
。若该像元的灰度响应值超过
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE006
，则确定该像元为盲元。(5)以上几种方法的组合，或是采用这些方法之前对盲元进行预处理等。目前国内外有关盲元补偿的算法相对比较成熟，常用的方法有相邻元替代法、线性插值法、中均值滤波和二维线性外推补偿法等。
上述几种盲元检测方法都是以红外焦平面阵列在标准黑体辐射下输出的响应数据作为盲元检测的依据。但是随着工作时间和环境温度的变化，IRFPA可能会出现新的盲元，这就需要一种不依靠标准黑体并能随时随地进行盲元检测的实用方法。
李福巍，张运强在《积分时间对红外焦平面成像系统的影响》一文中指出，在焦平面探测器电路参数固定的情况下，系统输出响应与积分时间成正比。实验证明，通过调整积分时间，可以获得红外焦平面成像系统在不同积分时间下的响应。周慧鑫，殷世民等人在《红外焦平面器件盲元检测及补偿算法》一文中指出，IRFPA中的盲元与有效像元在响应特性是存在很大差异。有效像元在一定的动态范围内是线性的，而盲元的动态范围远离有效像元的动态范围，盲元的温度响应特性曲线多为非线性的，并且变化斜率偏高或偏低，对两个不同温度的响应其两点差值偏离有效像元的两点差值。同理，在不同的积分时间下，盲元与有效像元也表现出不同的响应特性。通过上述分析，调整积分时间能够影响IRFPA的响应输出，这就为盲元检测提供了可能。
为此本发明提出基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法。该方法通过调整积分时间由短到长的变化来获取IRFPA在不同积分时间下的响应输出值，然后再利用各个探测单元的响应输出差异性来进行盲元检测，在此基础上再对盲元进行补偿。
发明内容
本发明针对现有盲元检测方法必须依赖于价格昂贵的标准黑体辐射，并且需要固定暗室才能进行盲元检测的不足，提出一种基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法。该方法利用镜头盖将红外镜头盖上，通过复杂可编程逻辑器件(CPLD)依次调整IRFPA的积分时间便可进行盲元检测，方法实施过程简单，不受标准黑体和固定暗室的限制，可根据需要随时随地进行盲元检测。
基于积分时间调整的IRFPA盲元检测方法实施过程如下：
记录不同积分时间下探测单元IRFPA的响应输出值。首先，确定IRFPA的积分时间点。依据IRFPA读出电路的积分时间变化范围，按积分时间变化步长(
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE007
)从最小积分时间(
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE008
)开始，依次叠加一个
Figure 373678DEST_PATH_IMAGE007
，直到最大积分时间(
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE009
)为止，从而生成各个积分时间点；其次，记录并保存各个积分时间点的响应输出值。将红外镜头盖上，每隔时间间隔
Figure 640711DEST_PATH_IMAGE007
依次拨动拨码开关以调整CPLD生成不同积分时间波形，控制IRFPA输出不同的响应，记录并保存响应输出数据，在此基础上绘制各个探测单元随积分时间变化的响应输出特性曲线。
盲元检测。继续盖上镜头盖，在红外成像系统动态响应为线性的区间内，取连续多个积分时间下各个像元响应的平均灰度值作为对应像元的响应率。判断有效像元，首先，以该像元为中心，在大小为特定尺寸的窗口内查找最大和最小像元的灰度值，在特定尺寸的窗口内寻找最大值和最小值，去掉最大值和最小值，计算窗口内剩余像元灰度平均值，对各像元进行盲元判定，当该平均值大于最大值的10倍或者小于最小值的1/10时，可判定为盲元，否则为有效像元；最后，将盲元的位置进行记录(如第
Figure 901928DEST_PATH_IMAGE010
行，第
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE011
列，即
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE012
)。
盲元补偿。根据相邻两点的图像数据在帧内和帧间的相关性，对定位后记录的盲元进行实时补偿。采用相邻的
Figure DEST_PATH_IMAGE013
帧图像，在每帧图像内采用盲元邻近的
Figure 570807DEST_PATH_IMAGE014
个像元对图像的真值进行补偿，距离不同的像元对中心盲元的影响因子不同，距离越近，影响因子越大；反之，影响因子越小。基于上述理由，可以利用盲元最邻近的帧内像元和帧间像元的均值进行补偿。如利用盲元最邻近的帧内4个像元和帧间的2个像元对图像的真值进行补偿。
本发明通过CPLD编程灵活方便的调整红外焦平面阵列在不同积分时间下的响应输出值，不依赖昂贵黑体和固定暗室的条件限制，能根据需要随时随地进行盲元检测及盲元补偿。本发明方法操作简单方便，检测准确，在IRFPA盲元检测中具有应用和推广价值。
附图说明
图1为本发明盲元检测及补偿流程图;
图2为IRFPA探测单元响应模型;
图3为盲元检测示意图，以3×3盲元检测窗口为例;
图4为盲元补偿示意图;
其中，图4(a)为连续10帧实时图像；图4(b) 为帧内4邻元和帧间2邻元补偿示意图。
具体实施方式
以下针对附图和实例对本发明的实施过程进行具体描述，图1为本发明盲元检测和补偿方法流程图，具体包括以下步骤：记录不同积分时间下的探测单元响应输出值、盲元检测及盲元补偿。
基于积分时间调整的IRFPA盲元检测方法实施过程如下：
记录不同积分时间下的探测单元IRFPA响应输出值。
确定IRFPA的积分时间点。依据IRFPA读出电路的积分时间变化范围，按积分时间变化步长(
Figure 377220DEST_PATH_IMAGE007
)从最小积分时间(
Figure 131550DEST_PATH_IMAGE008
)开始（该积分时间可采用探测器手册给出的最小积分时间），依次叠加一个步长（依据经验确定,一般可以以常数50作为一个步长），直到最大积分时间(
Figure 391947DEST_PATH_IMAGE009
)为止（即探测器手册给出的最大积分时间），从而生成各个积分时间点。
记录并保存各个积分时间点的响应输出值。在任何时间和地点都可以根据需要按以下过程实施：利用红外成像系统自带的镜头盖将红外镜头盖上，然后按预定的积分时间变化步长依次拨动拨码开关以调整CPLD生成不同积分时间波形来控制IRFPA的不同响应输出，记录并保存响应输出数据，在此基础上绘制各个探测单元随积分时间变化的响应输出特性曲线。也可采用其他常规方法，记录各积分时间点的响应输出值。
盲元检测。在红外成像系统动态响应为线性的区间内，取连续多个积分时间下各个像元响应的平均灰度值作为对应像元的响应率。若要判断某个像元是否为有效像元，可采用以下方法进行判断，首先以该像元为中心，在大小为特定尺寸的窗口内查找最大和最小像元的灰度值；然后去掉最大和最小灰度值，计算窗口内剩余像元灰度平均值，对各像元进行盲元判定，当该平均值大于最大值的10倍或者小于最小值的1/10时，可判定为盲元，否则为有效像元；最后，将盲元的位置进行记录(如第行，第
Figure 400857DEST_PATH_IMAGE011
列，即)。
盲元补偿。根据相邻两点的图像数据在帧内和帧间的相关性，利用盲元最邻近的帧内像元和帧间像元的均值，对定位后记录的盲元进行实时补偿。
如采用相邻的
Figure 379494DEST_PATH_IMAGE013
帧图像，在每帧图像内采用盲元邻近的个像元对图像的真值进行补偿，用
Figure 2011102232616100002DEST_PATH_IMAGE015
表示第
Figure 280DEST_PATH_IMAGE016
帧图像的第
Figure 498257DEST_PATH_IMAGE012
盲元的原始值， 用
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示第帧图像的第
Figure 282859DEST_PATH_IMAGE012
盲元的补偿值，距离不同的像元对中心盲元的影响因子不同，距离越近，影响因子越大；反之，影响因子越小。基于上述理由，可以利用盲元最邻近的帧内像元和帧间像元的均值进行补偿。
以下说明上述过程的具体实施方式。
 (1)记录不同积分时间下的探测单元响应输出值
①记录各个积分时间点下的响应输出值。根据IRFPA的积分时间变化范围，通过调整积分时间的步长，从最小开始，依次叠加一个
Figure 517849DEST_PATH_IMAGE007
，直到
Figure 460397DEST_PATH_IMAGE009
为止，记录每次叠加
Figure 898331DEST_PATH_IMAGE007
后对应的响应输出值，从而获得IRFPA的各个积分时间点下的响应输出值，记录并保存；
②根据积分时间与灰度值的关系，建立IRFPA探测单元响应模型。如图2所示，建立积分时间与图像灰度的关系曲线，根据不同积分时间点的响应输出值，绘制探测单元随积分时间变化的响应输出特性曲线。
 (2)盲元检测
本发明采用调整积分时间的方法对盲元进行检测。
假设IRFPA探测器像素尺寸为
Figure 129068DEST_PATH_IMAGE018
。首先，盖上镜头盖；然后，在IRFPA探测单元响应模型的线性区间内，取连续
Figure DEST_PATH_IMAGE019
个积分时间下每个像元平均灰度值作为像元的响应率，并记为
Figure 601638DEST_PATH_IMAGE020
，如图3所示为盲元检测示意图。
以图3所示的3×3窗口的像元响应率计算过程为例来检测盲元，具体过程描述如下：
根据如下公式获得像元的响应率
Figure 715087DEST_PATH_IMAGE020
（
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 702635DEST_PATH_IMAGE022
等）
            
Figure DEST_PATH_IMAGE023
             (1)
式中，
Figure 926943DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
Figure 988440DEST_PATH_IMAGE026
是积分时间起始点，
Figure 85840DEST_PATH_IMAGE007
是积分时间步长。
Figure DEST_PATH_IMAGE027
是像元
Figure 498367DEST_PATH_IMAGE028
在积分时间
Figure DEST_PATH_IMAGE029
时的响应灰度值，
Figure 526366DEST_PATH_IMAGE019
为积分数。
可采用以下方法判断某个像元为有效像元或盲元：
①在某个确定的积分时间点对窗口尺寸为窗口内（如窗口尺寸可为3×3）的像元灰度均值进行查询，找出最大和最小的像元灰度值
Figure DEST_PATH_IMAGE031
。
②去掉
Figure 959938DEST_PATH_IMAGE031
，求出窗口内剩余像元灰度的平均值，根据公式(2)所示计算像元灰度的平均值：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
    (2)
其中，为检测窗口尺寸。               
③比较
Figure 901163DEST_PATH_IMAGE031
与
Figure 288282DEST_PATH_IMAGE032
之间的关系。根据国标GB/Tl744421998《红外焦平面验收测试技术标准》中规定,当
Figure 658084DEST_PATH_IMAGE034
或者
Figure DEST_PATH_IMAGE035
时,则认为该像元为盲元，记录盲元的位置，将盲元矩阵中的相应位置进行记录。
 (3)盲元补偿
利用相邻像元信息极强的相关性，对盲元进行实时补偿。采集相邻的
Figure 610996DEST_PATH_IMAGE013
帧图像，在每帧图像内采用盲元邻近的
Figure 408051DEST_PATH_IMAGE014
个像元对图像的真值进行补偿，用
Figure 16887DEST_PATH_IMAGE015
表示第
Figure 190379DEST_PATH_IMAGE016
帧图像的第
Figure 14110DEST_PATH_IMAGE012
盲元的原始值， 用
Figure 982066DEST_PATH_IMAGE017
表示第
Figure 78198DEST_PATH_IMAGE016
帧图像的第
Figure 789802DEST_PATH_IMAGE012
盲元的补偿值（其余脚标类推），具体如下：
①利用盲元最邻近的帧内4个像元和帧间的2个像元对图像的真值进行补偿，补偿公式如(4)式所示：
Figure 654990DEST_PATH_IMAGE036
          (4)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
                   (5)
②将(5)式代入(4)式，得到对应的盲元补偿公式如(6)式所示：
Figure 856164DEST_PATH_IMAGE038
  (6)
图4所示为盲元补偿示意图。其中，图4(a) 为连续10帧实时图像，图4 (b) 帧内4邻元和帧间2邻元补偿示意图。
对于帧内像元和帧间像元采用其他的取值，盲元补偿公式中的取值作相应的调整。对于边界盲元的补偿，(6)式同样适用，只需要根据盲元邻域参与计算的像元数量进行相应调整即可。
传统的红外焦平面阵列盲元检测方法一般根据标准黑体辐射的温度场变化来获取IRFPA像元的响应输出值，通过盲元与有效像元响应率的差异性检测出盲元，进而对其补偿。传统盲元检测方法依赖于标准黑体和固定暗室，实施过程受到限制。为此，本发明提出基于积分时间调整的红外焦平面阵列盲元检测方法，只需通过CPLD编程调整积分时间，同样能够获取IRFPA各个探测单元的响应输出值，并依据盲元的标准定义检测出盲元。本发明提出的盲元检测方法不需要昂贵的标准黑体辐射源，能够在任何时间和地点通过拨动拨码开关即可实施盲元检测，操作方法简单，具有传统盲元检测方法无法比拟的优势。

Claims (4)

1. 一种基于积分时间调整的盲元检测方法，其特征在于，记录不同积分时间下探测单元IRFPA像元响应的输出值；在红外成像系统动态响应为线性的区间内，连续取多个积分时间下像元响应的平均灰度值作为对应像元的响应率；根据像元的响应率判定有效像元和盲元，定位并记录盲元，利用盲元最邻近的帧内像元和帧间像元的均值，对定位后记录的盲元进行图像真值的实时补偿，所述记录IRFPA像元响应的输出值具体为，依据IRFPA读出电路的积分时间变化范围，将红外镜头盖上，从最小积分时间                                               
Figure 2011102232616100001DEST_PATH_IMAGE002
开始，按预定的积分时间变化步长
Figure 2011102232616100001DEST_PATH_IMAGE004
调整CPLD生成不同积分时间对应IRFPA的响应输出，直到最大积分时间
Figure 2011102232616100001DEST_PATH_IMAGE006
为止，记录并保存响应输出；获得所述像元响应率的具体方法为：对像素尺寸为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的IRFPA探测器，根据公式： 
Figure DEST_PATH_IMAGE010
获得像元响应率
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是积分时间起始点，
Figure 476583DEST_PATH_IMAGE004
是积分时间步长，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是像元
Figure DEST_PATH_IMAGE022
在积分时间时的响应灰度值，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为积分数。
2.根据权利要求1所述的盲元检测方法，其特征在于，判定有效像元和盲元具体为：以像元为中心，在大小为特定尺寸的窗口内查找最大和最小像元灰度值；去掉最大和最小像元灰度值，根据像元的响应率、最大和最小灰度值计算该窗口内剩余像元灰度平均值，当像元灰度平均值大于最大像元灰度值的10倍或者小于最小像元灰度值的1/10时对应的像元判定为盲元，否则为有效像元。
3.根据权利要求1所述的盲元检测方法，其特征在于，在确定的积分时间点，在
Figure DEST_PATH_IMAGE028
的窗口内对像元灰度均值进行查询，找出最大、最小像元灰度值
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，去掉
Figure 747158DEST_PATH_IMAGE030
，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE032
计算窗口内剩余像元灰度的平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，当
Figure DEST_PATH_IMAGE036
或者
Figure DEST_PATH_IMAGE038
时,则认为该像元为盲元。
4.根据权利要求1-3其中之一所述的盲元检测方法，其特征在于，当利用盲元最邻近的帧内4个像元和帧间的2个像元对图像的真值进行补偿，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE040
计算第
Figure DEST_PATH_IMAGE042
帧图像的第
Figure DEST_PATH_IMAGE044
盲元的补偿值
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示第
Figure 810798DEST_PATH_IMAGE042
帧图像的第
Figure 633261DEST_PATH_IMAGE044
盲元的原始值。
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