CN103604503B - 一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外成像技技术领域，具体涉及一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法。本发明的方法包括以下步骤：确定固定温度下探测器响应值与积分时间长度线性关系；进行非均匀性校正；计算非均匀性校正参数；根据辐射温度自适应调节积分时间长度，确定积分时间长度所处的区间，实时生成当前积分时间下的非均匀性校正参数，完成非均匀性校正过程。本发明的方法实现了红外探测器工作过程中积分时间连续可调，解决了场景温度变化范围大时红外探测器积分时间长度与非均匀性校正参数之间的不适应问题，降低了积分时间切换对探测器性能和识别跟踪的影响，工作过程中可以充分发挥探测器的探测性能。

Description

一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法

技术领域

本发明属于红外成像技技术领域，具体涉及一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法。

背景技术

红外焦平面阵列成像系统代表着新一代红外成像系统的发展方向,较其它热成像系统具有结构简单、可靠性高、探测灵敏度和工作帧频高等多方面的优点,有着广泛的应用前景。但是IRFPA各探测单元响应特性之间普遍存在着非一致性,即响应的非均匀性。这一固有问题会使得所成像的图像上呈现出不同程度的固定图案噪声干扰,湮没真实的成像信息,是严重制约IRFPA成像系统性能的一个重要因素。因此必须对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。

目前红外焦平面阵列非均匀性校正算法分为两类：基于参考源的非均匀性校正方法和基于场景的非均匀性校正方法。基于参考源的非均匀性校正算法有：单点校正方法、两点校正方法、多点校正方法等；基于场景校正方法主要有神经网络法、时域高通滤波法、恒定统计法、代数校正算法等。

带有红外成像系统的飞行器在大气中高速飞行时，其头罩与气流发生剧烈的相互作用，随着飞行时间增加，造成头罩温度升高，探测器若采用固定积分时间，积分时间太短探测性能无法达到要求，太长会造成图像探测器饱和。由于在高速条件下存在探测性能和探测器饱和之间的矛盾，因此工作过程中需要实时调整探测器积分时间长度。目前的非均匀性校正方法都是根据固定积分时间进行的。采用固定积分时间得到的校正参数当积分时间变化后，校正参数不在适应，积分时间与校正参数不匹配的现象如图1所示。

针对探测器的非均匀性通常采用基于参考源的多段两点校正方法，该方法通过测试探测器响应值选择相应温度段的校正系数，校正过程计算量很小，可以达到较快的校正速度。但校正参数在固定积分时间下生成，当场景温度动态范围较大且快速变化时，积分时间长度的变化范围大，采用多段两点校正方法需要选择几个覆盖积分时间长度变化范围的典型值，在各积分时间下生成多段两点参数，若积分时间长度间隔过大会降低探测器的探测性能，间隔过短会产生大量的校正参数成像器中无充足空间存储，且这种方法在切换积分时间时图像均值差异过大造成图像闪烁，影响后续的识别跟踪。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有非均匀性校正方法中，场景温度变化范围大时，红外探测器积分时间固定，易造成图像饱和或响应值过低，探测器工作过程中需要改变积分时间长度，采用固定积分时间生成的校正参数在积分时间长度发生变化时，校正参数不适应。

本发明的技术方案如下所述：

一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，包括以下步骤：

步骤1

采集不同温度下各积分时间长度的探测器响应值数据，绘制探测器在不同积分时间长度的温度-响应值曲线，得到固定温度下探测器响应值与积分时间长度线性关系：

Y_i＝GI_i+O(1)

式中，

I_i为积分时间长度；

Y_i为该固定温度下探测器响应值；

G、O为常数；

步骤2

n个积分时间长度I₁、I₂，…I_n,构成[I₁,I₂]，[I₂,I₃]，…[I_n-1,I_n]共(n-1)个子区间；温度范围分为[T₁，T₂]、[T₂，T₃],…[T_m-1，T_m]共(m-1)个温度段；则第α个积分时间长度子区间、第β个温度段对应的非均匀性校正参数为K_αβ、B_αβ：

采用下式进行非均匀性校正：

G'(i,j)＝K_αβ(i,j)G(i,j)+B_αβ(i,j)(3)

式中，

G(i,j)为某一温度下校正前图像G位于(i,j)坐标的灰度值；

G'(i,j)为该温度下校正后图像G位于(i,j)坐标的灰度值；

步骤3

采用下式得到任意积分时间长度s下第p段的非均匀性校正参数：

$G_{Ksp}=\left(\frac{K_{s,p}-K_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(4\right)$

O_Ksp＝K_s-1,p-G_KspI_s-1(5)

$G_{Bsp}=\left(\frac{B_{s,p}-B_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(6\right)$

O_Bsp＝B_s-1,p-G_BspI_s-1(7)

$K_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Ksp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Ksp}---\left(8\right)$

$B_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Bsp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Bsp}---\left(9\right)$

式中，

为重新生成与当前积分时间相对应的增益校正参数；

为重新生成与当前积分时间相对应的偏置校正参数；

G_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的斜率；

O_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的偏置；

G_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的斜率；

O_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的偏置；

K_s,p、B_s,p为积分时间为Is的第p段校正参数；

K_s,p、B_s,p为第s个积分时间长度子区间、第p段温度段非均匀性校正参数；

I_Δ为调整后的积分时间长度，处于[I_s-1,I_s]积分时间长度子区间内；

步骤4

在探测器实际工作过程中，根据辐射温度自适应调节积分时间长度，确定积分时间长度所处的区间，实时生成当前积分时间下的非均匀性校正参数，完成非均匀性校正过程。

作为优选方案，

步骤2中，

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=\frac{A_1-A_2}{G_1(i,j)-G_2(i,j)}\\ B_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=A_1-K_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)G_1(i,j)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，

G₁(i,j)为t1温度下黑体红外图像G1位于(i,j)坐标的灰度值；

G₂(i,j)为t2温度下黑体红外图像G2位于(i,j)坐标的灰度值；

A₁为t1温度下黑体红外图像G1的灰度均值；

A₂为t2温度下黑体红外图像G2的灰度均值。

本发明的有益效果为：

本发明的一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，通过统计积分时间长度与校正参数之间的关系，实现了红外探测器工作过程中积分时间连续可调，解决了场景温度变化范围大时红外探测器积分时间长度与非均匀性校正参数之间的不适应问题，降低了积分时间切换对探测器性能和识别跟踪的影响，工作过程中可以充分发挥探测器的探测性能。

附图说明

图1(a)为非均匀性校正参数与积分时间长度相匹配的图像；

图1(b)为积分时间长度改变时非均匀性校正参数与积分时间长度不匹配的图像；

图2为探测器在不同积分时间长度的温度-响应值曲线；

图3为探测器在固定温度下积分时间长度-响应值曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法进行详细说明。

本发明的一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，包括如下步骤：

步骤1

采集不同温度下各积分时间长度的探测器响应值数据，生成图2所示探测器在不同积分时间长度的温度-响应值曲线。

本实施例中，采集的不同温度下各积分时间长度的探测器响应值数据如下表所示：

由上表可知，固定温度下探测器响应值与积分时间长度满足图3所示线性关系，该线性关系如式(1)所示：

Y_i＝GI_i+O(1)

式中，

I_i为积分时间长度；

Y_i为该固定温度下探测器响应值；

G、O为常数。

根据表1所示任意两组采集数据，即可确定G、O数值，进而确定固定温度下探测器响应值与积分时间长度的线性关系表达式。

步骤2

n个积分时间长度I₁、I₂，…I_n,构成[I₁,I₂]，[I₂,I₃]，…[I_n-1,I_n]共(n-1)个子区间；温度范围分为[T₁，T₂]、[T₂，T₃],…[T_m-1，T_m]共(m-1)个温度段；则第α个积分时间长度子区间、第β个温度段对应的非均匀性校正参数为K_αβ、B_αβ。

其中， $\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=\frac{A_1-A_2}{G_1(i,j)-G_2(i,j)}\\ B_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=A_1-K_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)G_1(i,j)\end{array}\right.---\left(2\right).$

式中，G₁(i,j)为t1温度下黑体红外图像G1位于(i,j)坐标的灰度值；

G₂(i,j)为t2温度下黑体红外图像G2位于(i,j)坐标的灰度值；

A₁为t1温度下黑体红外图像G1的灰度均值；

A₂为t2温度下黑体红外图像G2的灰度均值。

采用下式进行非均匀性校正：

G'(i,j)＝K_αβ(i,j)G(i,j)+B_αβ(i,j)(3)

式中，G(i,j)为某一温度下校正前图像G位于(i,j)坐标的灰度值；

G'(i,j)为该温度下校正后图像G位于(i,j)坐标的灰度值。

步骤3

由式(3)可知，探测器的响应值与黑体温度间满足分段线性关系，而固定温度下探测器响应值与积分时间长度满足线性关系，可知非均匀性校正参数为K_αβ、B_αβ与积分时间长度满足线性关系，故采用下式可以得到任意积分时间长度s下第p段的非均匀性校正参数：

$G_{Ksp}=\left(\frac{K_{s,p}-K_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(4\right)$

O_Ksp＝K_s-1,p-G_KspI_s-1(5)

$G_{Bsp}=\left(\frac{B_{s,p}-B_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(6\right)$

O_Bsp＝B_s-1,p-G_BspI_s-1(7)

$K_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Ksp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Ksp}---\left(8\right)$

$B_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Bsp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Bsp}---\left(9\right)$

式中，为重新生成与当前积分时间相对应的增益校正参数，为重新生成与当前积分时间相对应的偏置校正参数；G_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的斜率，O_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的偏置；G_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的斜率，O_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的偏置；K_s,p、B_s,p为积分时间为Is的第p段校正参数；K_s,p、B_s,p为第s个积分时间长度子区间、第p段温度段非均匀性校正参数；I_Δ为调整后的积分时间长度，处于[I_s-1,I_s]积分时间长度子区间内。

步骤4

在探测器实际工作过程中，根据辐射温度自适应调节积分时间长度，确定积分时间长度所处的区间，实时生成当前积分时间下的非均匀性校正参数，完成非均匀性校正过程。

采用本发明的方法，在积分时间为400μs和500μs条件下，分别在黑体辐射温度为20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃时采集黑体图像，在每个温度段生成两点校正参数。调整积分时间为460μs，分别对黑体和实际场景验证积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，在黑体验证中计算图像的残留非均匀性，M×N图像的残留非均匀性采用下式计算：

$NU=\frac{\sqrt{\frac{1}{M\×N}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{(I_{ij}-I_{avg})}^2}}{I_{avg}}---\left(10\right)$

其中NU为残留非均匀性，I_avg为图像均值。使用的校正参数的生成区间为[30℃，40℃]，校正的黑体温度为35℃。积分时间长度固定为400μs时，残留非均匀性为4.39‰；积分时间长度固定为500μs时，残留非均匀性为4.06‰；而采用本发明的积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法的校正效果，残留非均匀性为0.41‰，校正效果得到显著提升。

采用本发明积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法对实际场景进行验证，实验室温度为26℃，使用的校正参数的生成区间为[20℃，30℃]。积分时间长度固定为400μs或500μs时，图像中存在明显的非均匀性，固定图案噪声干扰严重，湮没了真实的成像信息，进一步采用固定积分时间生成的校正参数无法适应其他积分时间长度。而采用本发明的积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法实时生成的校正参数处理的图像，固定图案噪声得到抑制，图像中没有明显的残留非均匀性。

本发明的方法根据场景自适应调整积分时间长度，实时生成校正参数，能够适应积分时间的连续变化，充分发挥了探测器的探测器能力。

Claims (2)

1.一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1

采集不同温度下各积分时间长度的探测器响应值数据，绘制探测器在不同积分时间长度的温度-响应值曲线，得到固定温度下探测器响应值与积分时间长度线性关系：

Y_i＝GI_i+O(1)

式中，

I_i为积分时间长度；

Y_i为该固定温度下探测器响应值；

G、O为常数；

步骤2

n个积分时间长度I₁、I₂，…I_n,构成[I₁,I₂]，[I₂,I₃]，…[I_n-1,I_n]共(n-1)个子区间；温度范围分为[T₁，T₂]、[T₂，T₃],…[T_m-1，T_m]共(m-1)个温度段；则第α个积分时间长度子区间、第β个温度段对应的非均匀性校正参数为K_αβ、B_αβ：

采用下式进行非均匀性校正：

G'(i,j)＝K_αβ(i,j)G(i,j)+B_αβ(i,j)(3)

式中，

G(i,j)为某一温度下校正前图像G位于(i,j)坐标的灰度值；

G'(i,j)为该温度下校正后图像G位于(i,j)坐标的灰度值；

步骤3

采用下式得到任意第s个积分时间长度子区间、第p段温度段的非均匀性校正参数：

$G_{Ksp}=\left(\frac{K_{s,p}-K_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(4\right)$

O_Ksp＝K_s-1,p-G_KspI_s-1(5)

$G_{Bsp}=\left(\frac{B_{s,p}-B_{s-1,p}}{I_s-I_{s-1}}\right)\·I_{\mathrm{\Δ}}---\left(6\right)$

O_Bsp＝B_s-1,p-G_BspI_s-1(7)

$K_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Ksp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Ksp}---\left(8\right)$

$B_{I_{\mathrm{\Δ}}p}=G_{Bsp}{I}_{\mathrm{\Δ}}+O_{Bsp}---\left(9\right)$

式中，

为重新生成与当前积分时间相对应的增益校正参数；

为重新生成与当前积分时间相对应的偏置校正参数；

G_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的斜率；

O_Ksp为相邻两积分时间K参数变化的偏置；

G_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的斜率；

O_Bsp为相邻两积分时间B参数变化的偏置；

K_s,p、B_s,p为第s个积分时间长度子区间、第p段温度段非均匀性校正参数；

I_△为调整后的积分时间长度，处于[I_s-1,I_s]积分时间长度子区间内；

步骤4

在探测器实际工作过程中，根据辐射温度自适应调节积分时间长度，确定积分时间长度所处的区间，实时生成当前积分时间下的非均匀性校正参数，完成非均匀性校正过程。

2.根据权利要求1所述的一种积分时间动态调整的高精度非均匀性校正方法，其特征在于：

步骤2中，

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=\frac{A_1-A_2}{G_1(i,j)-G_2(i,j)}\\ B_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)=A_1-K_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}(i,j)G_1(i,j)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，

G₁(i,j)为t1温度下黑体红外图像G1位于(i,j)坐标的灰度值；

G₂(i,j)为t2温度下黑体红外图像G2位于(i,j)坐标的灰度值；

A₁为t1温度下黑体红外图像G1的灰度均值；

A₂为t2温度下黑体红外图像G2的灰度均值。