CN102589707B - 红外焦平面阵列探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列(IRFPA)探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法，针对IRFPA探测器非均匀性响应的校正输出对残差抑制的要求，引入加权的均匀背景校正残差以补偿实际场景的校正误差，将辐射源定标校正与残差对消方法相结合，抑制了IRFPA探测器的残余非均匀性，有效降低了校正后响应值与实际场景辐照值之间的偏差，并使得IRFPA探测器的温度分辨率得以提升。

Description

红外焦平面阵列探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，是一种数字图像复原方法，具体涉及的是基于辐射源定标与残差对消相结合的非均匀性校正方法，适合用于对红外焦平面阵列(IRFPA)探测器非均匀性校正残差的实时补偿。

背景技术

IRFPA探测器的引入使得现代红外成像系统能同时获得在空间分辨率、温度分辨率和时间分辨率方面的优异性能。然而，受到材料、制造工艺和工作环境等因素的影响，IRFPA各探测元在相同辐照条件下通常会输出不同的响应，这种响应的不一致性被称作非均匀性。由于非均匀性的存在会显著降低成像的信噪比和辨析率，因此，在基于IRFPA的各种成像应用中，几乎都对IRFPA器件的非均匀性提出了相应的要求，例如，红外成像制导系统一般要求IRFPA器件的非均匀性在0.1％以内，而当今IRFPA器件的非均匀性大致水平为：国外器件，InSb器件的非均匀性为3％左右，HgCdTe器件为7％左右，而国产器件的非均匀性更大，比国外同类器件大一个数量级以上。为了解决这对供需矛盾，最根本的途径是通过研究新材料和制造工艺以提升器件响应的均匀性，然而新材料和工艺的研究周期长、技术难度大，难以解决眼前面临的问题。鉴于此，部分该领域的研究者近年来转而研究一类利用现代信号处理技术对IRFPA器件非均匀性进行校正的后处理方法。实践证明，这类方法可使IRFPA器件的非均匀性显著降低，而且对于非均匀性较大的器件更加明显，确是一条投入小见效快的技术途径。

目前主流的非均匀性校正方法主要分为：基于参考辐射源的校正方法以及基于场景的自适应校正方法两类。其中，前者通过对均匀辐照下探测器各单元响应输出的测量，计算出各探测单元的校正参数，而后利用上述校正参数对实际目标场景辐照进行校正，此类方法运算复杂度低易于硬件实时实现。而后者则利用当前场景的辐射数据自适应地估计校正参数，并用于后续输出的校正，此类方法需进行大量的迭代运算和数据吞吐操作，适用于高精度的软件实现。鉴于此，在实时性要求较高的应用中多采用基于参考辐射源的校正方法。

通常，IRFPA探测器的响应规律可用线性数学模型予以描述。大量的工程实践证实，线性数学模型中的偏置项较之增益项是引起探测器响应非均匀性的更重要影响因素。而现有的参考辐射源定标校正方法还未能很好地解决因偏置漂移引起的校正残差。因此，针对如何有效地消除校正残差，寻求一种可靠的方法对IRFPA探测器的非均匀响应输出进行实时的校正和残差补偿就显得尤为重要。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于将加权的均匀背景校正残差用于消除实时场景校正残差，提出了一种新颖的IRFPA探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法，以减小校正后的响应值与实际场景辐照值之间的偏差，并提高IRFPA探测器的温度分辨率。

实现本发明目的的技术方案是：针对IRFPA探测器非均匀性响应的校正输出对残差抑制的要求，引入加权的均匀背景校正残差以补偿实际场景的校正误差，将辐射源定标校正与残差对消方法相结合，具体步骤如下：

(1)利用IRFPA探测器采集黑体辐射源在响应动态范围内任一温度点的辐射响应F(Φ₀)；

(2)将成像系统快门关闭，利用IRFPA探测器采集均匀背景辐射的响应输出F(Φ₁)；

(3)以黑体辐射F(Φ₀)为参考值对均匀背景辐射进行一点定标校正，得到校正结果F′(Φ₁)；

(4)将成像系统快门打开，利用IRFPA探测器采集实际场景辐射的响应输出F(Φ₂)；

(5)以均匀背景辐射响应输出F(Φ₁)为参考值对实际场景辐射进行一点定标校正，得到校正结果F′(Φ₂)；

(6)用F′(Φ₂)减除加权后的F′(Φ₁)，以实现残余非均匀性的对消并得到最终的校正残差补偿结果F″(Φ₂)；

(7)对IRFPA探测器采集的后续实际场景辐射响应F(Φ_n)重复执行步骤(5)和步骤(6)，得到校正残差补偿后的输出F″(Φ_n)。

上述步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)中，IRFPA探测器对辐照值Φ的响应输出F(Φ)，可用F(Φ)＝G·Φ+O的线性响应模型予以描述，式中G代表增益参数，O代表偏置参数，工程实践证明，偏置参数的漂移是引起校正残差的主要因素。根据上述探测器响应模型，上述步骤(3)和步骤(5)中基于参考源的一点定标校正过程，可表示为F′(Φ_S)＝F(Φ_S)-F(Φ_C)，式中F(Φ_S)为探测器当前的非均匀响应输出，F(Φ_S)为当前非均匀响应输出，F(Φ_C)为参考源定标输出，F′(Φ_S)为一点定标校正输出。

上述步骤(6)中的校正残差补偿过程可表示为：

$F^{\′\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)=C\·[F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)-M\·F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)]+B\·\stackrel{\‾}{F\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)}$

式中，F″(Φ²)为对当前场景校正残差补偿后的输出，

为均匀背景辐射响应的均值，M为残差修正因子，C为对比度调节因子，B为亮度调节因子。

本发明由于在校正残差补偿过程中将基于辐射源定标的校正方法与残差对消方法相结合，从而有效地降低了校正后的响应估计值与实际场景辐照值之间的偏差，使得IRFPA探测器的温度分辨率得以提升。

附图说明

图1是本发明的实现框图；

图2是本发明方法与现有方法对室内场景响应校正输出的对比图；

图3是本发明方法与现有方法对室外场景响应校正输出的对比图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1，本实施例是红外焦平面阵列(IRFPA)探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法，包括以下步骤：

1)将黑体辐射源设置在探测器响应动态范围内的任一温度点，利用IRFPA探测器采集该温度点的黑体辐射数据F(Φ₀)；

2)将成像系统快门关闭，利用IRFPA探测器采集均匀背景辐射响应输出F(Φ₁)；

3)以黑体辐射F(Φ₀)为参考值对均匀背景辐射进行一点定标校正，得到校正结果

$F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)=F\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)-F\left(F_0\right)=G\·{\mathrm{\Φ}}_1-G\·{\mathrm{\Φ}}_0+(O_1-O_0)$

(1)

$=G\·({\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_0)+\mathrm{\Δ}{\tilde{O}}_1$

其中

为校正后的残余非均匀性。

4)将成像系统快门打开，利用IRFPA探测器采集实际场景辐射响应输出F(Φ₂)；

5)以均匀背景辐射响应输出F(Φ₁)为参考值对实际场景辐射进行一点定标校正，得到校正结果

$F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)=F\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)-F\left(F_1\right)=G\·{\mathrm{\Φ}}_2-G\·{\mathrm{\Φ}}_1+(O_2-O_1)$

(2)

$=G\·({\mathrm{\Φ}}_2-{\mathrm{\Φ}}_1)+\mathrm{\Δ}{\tilde{O}}_2$

其中

为校正后的残余非均匀性。

6)用F′(Φ₂)减除加权后的F′(Φ₁)，以实现校正残差

和的对消并得到最终的校正结果

$F^{\′\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)=C\·[F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)-M\·F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)]+B\·\stackrel{\‾}{F\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)}$

$=C\·G\·[({\mathrm{\Φ}}_2-{\mathrm{\Φ}}_1)-M\·({\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_0)]+(\mathrm{\Δ}{\tilde{O}}_1-M\·\mathrm{\Δ}{\tilde{O}}_2)+B\·{\mathrm{\Φ}}_1$

$=C\·G\·[{\mathrm{\Φ}}_2-{\mathrm{\Φ}}_1-M\·({\mathrm{\Φ}}_1-{\mathrm{\Φ}}_0)]+B\·{\mathrm{\Φ}}_1$

(3)

其中残差修正因子M的合理选择可以保证残差项的消除。

本实施例提出的IRFPA探测器非均匀性校正残差补偿方法与现有方法对室内和室外场景响应校正效果分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，经现有一点定标方法校正后的图像有明显的校正残差(表现为叠加于实际场景之上的阴影所引起的阶跃型亮度突变)，而经本发明方法作补偿处理后的校正后图像，残差几近消失，校正结果在均匀性方面要显著优于现有基于参考源的一点定标校正方法。

本实施例提出的非均匀性校正残差方法与现有方法性能的量化对比是采用粗糙度参数ρ来评估图像的非均匀性，其取值越小则表明图像非均匀性越小，该参数的数学表达式为

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\left|\right|h_1*f\left|\right|}_1+{\left|\right|h_2*f\left|\right|}_1}{{\left|\right|f\left|\right|}_1}---\left(4\right)$

式中f表示被度量的图像，h₁表示水平差分模板[1，-1]，h₂＝h₁ ^T表示垂直差分模板，而||·||₁则表示L₁范数。对比测试实验结果如表1所示

表1本实施例的方法与现有方法对比测试结果的粗糙度参数(ρ)对比

由表1可见，经本实施例提出方法校正后的图像的粗糙度参数ρ明显低于现有一点校正方法校正后的图像。

上述结果充分说明了，本发明方法可有效补偿IRFPA探测器非均匀性响应的校正残差，使校正补偿后的输出值更加接近实际的响应值。

综上，本发明所提出的基于辐射源定标与残差对消的非均匀性校正方法可有效降低校正后的响应值与实际场景辐照值之间的偏差，对提升IRFPA探测器的温度分辨率起到了重要作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，以及本发明的优点。本技术领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明的实质精神和范围的前提下，对发明的各种变化、变型和改进，都应落入权利要求书要求保护的范围内。

Claims (1)

1.一种红外焦平面阵列探测器非均匀性校正残差的实时补偿方法，基于参考辐射源定标与残差对消，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用IRFPA探测器采集黑体辐射源在响应动态范围内任一温度点的辐射响应F(Φ₀)；

(2)将成像系统快门关闭，利用IRFPA探测器采集均匀背景辐射的响应输出F(Φ₁)；

(3)以黑体辐射F(Φ₀)为参考值对均匀背景辐射进行一点定标校正，得到校正结果F′(Φ₁)；

(4)将成像系统快门打开，利用IRFPA探测器采集实际场景辐射的响应输出F(Φ₂)；

(5)以均匀背景辐射响应输出F(Φ₁)为参考值对实际场景辐射进行一点定标校正，得到校正结果F′(Φ₂)；

(6)用F′(Φ₂)减除加权后的F′(Φ₁)，以实现残余非均匀性的对消并得到最终的校正残差补偿结果F″(Φ₂)；

(7)对IRFPA探测器采集的后续实际场景辐射响应F(Φ_n)重复执行步骤(5)和步骤(6)，得到校正残差补偿后的输出F″(Φ_n)；

所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)中，IRFPA探测器对辐照值Φ的响应输出F(Φ)，可用F(Φ)＝G·Φ+O的线性响应模型予以描述，式中G代表增益参数，O代表偏置参数；

根据上述探测器响应模型，将上述步骤(3)和步骤(5)中基于参考源的一点定标校正过程表示为F′(Φ_S)＝F(Φ_S)-F(Φ_C)，式中F(Φ_S)为探测器当前的非均匀响应输出，F(Φ_S)为当前非均匀响应输出，F(Φ_C)为参考源定标输出，F′(Φ_S)为一点定标校正输出；

所述步骤(6)中的校正残差补偿公式为

$F^{\″}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)=C\·[F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)-M\·F^{\′}\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)]+B\·\stackrel{\‾}{F\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)}$

式中，F″(Φ₂)为对当前场景校正残差补偿后的输出，为均匀背景辐射响应的均值，M为残差修正因子，C为对比度调节因子，B为亮度调节因子。

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