CN104111118A - 一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法。该方法在基于变形透镜实时校正的基础上加以创新，设计并运用具有不同遮挡效果的斩波器代替原有变形镜的校正技术；同时提出斩波校正技术的解决方法，解决红外图像积分信号与斩波步进、转动周期之间的同步关系问题；解决由于红外探测器的体积非常小，不可能安装光电测角定位码盘，因此需要解决高温图像自动判别、背景图像自动判别、低温图像自动判别、半遮挡自动判别等问题，从而实现基于斩波的图像非均匀性校正。

Description

一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法

技术领域

本发明属于红外焦平面探测器技术领域，具体涉及一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法。

背景技术

红外焦平面阵列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)由于探测元自身或探测元之间响应的非均匀性及不稳定性等问题存在，使得探测器阵列存在着固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，是限制成像质量提高的主要因素之一。因此IRFPA的非均匀校正NUC(Non_Uniformity Correction)问题成为当今国内外研究的热点技术。

通常，红外热像仪大多通过辐射参考源进行标定，校正系数在探测器正常工作时读出，实时对输入图像进行非均匀校正。然而由于FPN随时间缓慢变化，探测器工作一段时间后，校正残差会逐渐加重。

针对以上诸多问题国外正在探讨在探测器前加装变形镜，通过改变成像光路聚散焦的方式交替产生不同温度表征的图像序列，并以此作为图像校正参考源的方法。加装变形镜的方法的提出拓展了非均匀性校正新的技术领域，通过透镜的变化产生各种聚散焦图像用以图像实时校正，应用此方法探测器响应瞬时漂移带来的噪声可以得到实时消除，但由于聚散焦图像本身含有的图像信息相差不大，只是在清晰度上有所差别，所以将此类图像作为参考源会在图像对消时造成场景信息被削弱的现象，如果考虑补偿图像的背景有用信息，还需要额外加入定标参考源，给此项技术的实践应用带来诸多不便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供了一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法。该方法在基于变形透镜实时校正的基础上加以创新，设计并运用具有不同遮挡效果的斩波器代替原有变形镜的校正技术；同时提出斩波校正技术的解决方法，解决红外图像积分信号与斩波步进、转动周期之间的同步关系问题；解决由于红外探测器的体积非常小，不可能安装光电测角定位码盘，因此需要解决高温图像自动判别、背景图像自动判别、低温图像自动判别、半遮挡自动判别等问题，从而实现基于斩波的图像非均匀性校正。

本发明解决所述技术问题的技术解决方案是：提出一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，该方法的技术方案步骤如下：

步骤一、设计具有双温度特性斩波器的结构方案：

双温度特性的斩波器主要包括连接件、灰体遮挡片、漫反射遮挡片；其中连接件与灰体遮挡片和漫反射遮挡片连接，带动灰体遮挡片和漫反射遮挡片转动，灰体遮挡片用于反射辐射源的热辐射，形成校正参考源；漫反射遮挡片用于反射辐射源的冷辐射，构成单点校正的补偿参考源；

步骤二、建立识别斩波遮挡图像的数学分析模型：

斩波器转动过程中各类斩波图像产生的时间相对固定，构建斩波器完全遮挡成像孔径的状态模型，便可类推到其他状态模型，由此将斩波器定位检测的工程问题转化为用方程求解的数学分析问题；

在斩波器转动一周的时间内，针对所有可能出现的初始位置情况，每一种初始位置出现的完全遮挡状态出现的次数记为k，找到完全遮挡状态出现的最少次数N，这样才能保证积分信号的确定发送方式下对于任意初始位置条件帧周期都能处于完全遮挡时间内；基于数据分析模型，上述问题便可以转化为在斩波器所有可能初始位置中找到k的最少可取值数N；

步骤三、设计红外探测器、红外成像器与斩波器的步进脉冲周期之间的同步控制算法：

系统向红外探测器发送积分信号，红外成像器会在积分信号时长内采集图像，然后由红外探测器向系统发送图像信号，发送积分信号的间隔为T，图像的帧周期也为T，斩波器的步进脉冲周期为T/N；在遮挡图像检测阶段，斩波器转动一周内如果出现N次完全遮挡状态，则系统向斩波器的步进电机需要发送N种相位对应的积分信号与脉冲信号；

步骤四、提出斩波遮挡图像的多积分相位搜索定位流程：

根据各测量值计算数学模型确定k的最少可取值数N；变换积分相位发送积分和电机脉冲信号；斩波器转动一周内接收到的图像序列逐帧地进行所有像素点的求和运算，统计出和值最小的一帧图像，记录此图像帧号；在发送N种相位对应同步积分信号后，得到N个最小值并在这些值中找出和值最小的一幅图像，即得到确定的漫反射完全遮挡图像，同时记录周号和帧号，以此帧号确定与漫反射图像位置对应的完全遮挡灰体图像和光路图像，以此周号确定校正工作状态下的积分信号相位，发送最终确定相位的积分信号开始图像的非均匀校正工作；

步骤五、设计基于斩波器的红外图像非均匀性校正流程：

固定图像噪声的低频部分可以通过成像光路图像与灰体遮挡图像求和之后生成的带通差分图像得到校正，固定图像噪声的高频部分可由成像光路图像与漫反射遮挡图像生成的差分图像经过单点校正和二维低通数字滤波得到处理，之后固定图像噪声的低频部分与固定图像噪声的高频部分求和，得到非均匀性校正图像，从而完成整个校正过程。

所述步骤三采用5个灰体遮挡片和1个漫反射遮挡片。

所述步骤一的漫反射遮挡片是扇形结构，表面是镀铜合金。

所述步骤一的灰体遮挡片是扇形结构，表面涂覆碳化硅材料。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

①本发明定性的分析了基于旋转斩波器的图像检测定位机理，定量的剖析了斩波器的工作状态，提出一种可用于实际应用的数学模型，并提出给予一定约束条件下的求解方式，确定设计方法的有效性和可靠性。

②针对以往通过黑体辐射源遮挡现场或镜头盖遮蔽镜头等方式处理图像单点非均匀校正在实际应用中难以实施的问题，提出了基于斩波器架构的非均匀校正，其特点是可自动实时进行单点非均匀性校正，不依赖手动移入移出的外部参考源。

③本发明在非均匀校正算法上也不是简单的采取帧差法来更新系数，而是采用不同程度的差分图像对非均匀噪声的不同频段作不同校正处理，并对场景的低频信息有所补偿。

附图说明

图1是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的斩波器结构示意图(1-漫反射遮挡片、2-灰体遮挡片)；

图2是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的斩波器在初始位置时完全遮挡成像孔径的状态示意图；

图3是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的斩波器转动时遮挡成像孔径的状态示意图；

图4是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的斩波器定位状态示意图；

图5是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的基于斩波器的多积分相位搜索定位流程图；

图6是本发明基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法一个实施例的基于斩波器的红外图像非均匀性校正流程。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实例例进行说明，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，具体的实施步骤如下：

步骤一、设计具有双温度特性斩波器遮挡片的结构方案：

双温度特性的斩波器(参见图1)主要包括连接件3、灰体遮挡片2、漫反射遮挡片1；其中连接件3与灰体遮挡片2和漫反射遮挡片1连接，带动灰体遮挡片2和漫反射遮挡片1转动，灰体遮挡片2是扇形结构，表面涂覆碳化硅材料，用于反射辐射源的热辐射，形成校正参考源；漫反射遮挡片1是扇形结构，表面是镀铜合金，用于反射辐射源的冷辐射，构成单点校正的补偿参考源。由于遮挡片成像与原有场景图像只在噪声特性方面比较类似，所以当两种图像差分对消时可以最大程度的保留图像的固有信息，并且能够一定程度地消除部分残留的高频噪声。

步骤二、建立识别斩波遮挡图像的数学分析模型：

由于斩波器转动过程中各类斩波图像产生的时间相对固定，所以只需要分析出一种图像的遮挡状态便可类推到其他状态模型。由于斩波遮挡片设计构造的特殊性，构建斩波器完全遮挡成像孔径的状态模型，将斩波器定位检测的工程问题转化为可以方程求解的数学分析问题。

以斩波器初始位置完全遮挡成像孔径状态的示意图(参见图2)为例，其中直线d表示斩波器中心原点与成像孔径中心之间的距离，r为成像孔径的半径，以上两个参量需要预先测量以便确定直线l，即完全遮挡成像孔径的最小距离，而直线m和n分别表示直线l与成像孔径切点处到遮挡片上下两个边缘处的距离，这三个参量是直接判断斩波器是否处于完全遮挡状态的重要依据。同时遮挡片的扇面角度和边宽也需要进行测量，三条边的长度分别记为x，x，2xsinα/2，用于计算直线m和n在斩波器不同转动位置时对应的长度。

如果要确定斩波器处于完全遮挡状态，需要同时满足两个条件：

$m\≥\frac{l}{2}$

$n\≥\frac{l}{2}$

上述讨论m,n的求解过程是在斩波器处于初始位置条件下讨论的，如果斩波器转动角度k·β，则不同尺寸的斩波器完全遮挡状态会发生不同变化(参见图3，其中k为自然数)：

综合上述条件分析推导出斩波器完全遮挡状态的最终数学模型：

从上述公式可以看出当斩波器的转动角度k·β数值处在公式右边的四种数值范围的其中之一时，如果此数值满足此数值范围对应的左侧不等式时，即为斩波器完全遮挡的工作状态，否则为不完全遮挡状态。

在斩波器转动一周的时间内，针对所有可能出现的初始位置情况，每一种初始位置出现的完全遮挡状态出现的次数记为k(k₁、k₂……k_n)，找到完全遮挡状态出现的最少次数N，这样才能保证积分信号的确定发送方式下对于任意初始位置条件帧周期都能处于完全遮挡时间内；基于数据分析模型，上述问题便可以转化为在斩波器所有可能初始位置中找到k的最少可取值数N。

步骤三、设计红外探测器、红外成像器与斩波器的步进脉冲周期之间的同步控制算法：

考虑到图像的高帧频要求，需要采用5个灰体遮挡片和1个漫反射遮挡片。红外探测器的输出帧频与斩波器转动的时间做不到自动的同步匹配，斩波器发送单相位的同步积分信号有可能满足不了时序要求，例如(参见图4)：如果斩波器的转速满足斩波器旋转一周会有三次完全遮挡状态，那么在一个周期内，系统控制斩波器的步进电机发射三个步进脉冲P，令斩波器转动的时间与积分信号的宽度即图像的采集时间同步，如果斩波器的起转状态是从完全遮挡位置开始，那么斩波器的斩波片旋转一周完全遮挡状态小于3次，这时积分信号时间宽度与斩波器转动的时间并不能同步，即采集图像非完全遮挡图像。

系统向红外探测器发送积分信号，红外成像器会在积分信号时长内采集图像，然后由红外探测器向系统发送图像信号，发送积分信号的间隔为T，图像的帧周期也为T，斩波器的步进脉冲周期(即斩波片随着N个步进脉冲旋转的过程中，斩波片始终完全遮挡成像光路，形成完全遮挡图像)为T/N。如果起转状态是从完全遮挡位置开始，则斩波器旋转一周内所有完全遮挡状态并不连续，导致以此方式一周内也找不到完全遮挡的漫反射图像。

根据需求拟定一个多积分相位选择并与斩波器的步进脉冲周期同步控制算法。即在遮挡图像检测阶段，斩波器转动一周内如果出现N次完全遮挡状态，则系统向斩波器的步进电机需要发送N种相位对应的积分信号与脉冲信号，兼顾到斩波器的初始相位情况，以避免出现定位最差的情况。

步骤四、提出斩波遮挡图像的多积分相位搜索定位流程：

考虑到漫反射遮挡图像来源于冷辐射，呈现出图像整体灰度值偏小的特点，提出了一种基于帧像素和最小原则的多积分相位搜索定位检测算法。多积分相位搜索定位流程(参见图5)：

根据各测量值计算数学模型确定k的最少可取值数N；变换积分相位发送积分和电机脉冲信号；斩波器转动一周内接收到的图像序列逐帧地进行所有像素点的求和运算，统计出和值最小的一帧图像，记录此图像帧号；在发送N种相位对应同步积分信号后，得到N个最小值并在这些值中找出和值最小的一幅图像，即得到确定的漫反射完全遮挡图像，同时记录周号和帧号，以此帧号确定与漫反射图像位置对应的完全遮挡灰体图像和光路图像，以此周号确定校正工作状态下的积分信号相位，发送最终确定相位的积分信号开始图像的非均匀校正工作。

步骤五、设计基于斩波器的红外图像非均匀性校正流程：

引入基于斩波器的单点参考源图像的好处在于，固定图像噪声的低频部分可以通过成像光路图像与灰体遮挡图像生成的带通差分图像得到校正，固定图像噪声的高频部分可由成像光路图像与漫反射遮挡图像生成的差分图像经过单点校正和二维低通数字滤波得到处理，同时又补偿了带通差分图像中丢失的低频的空间场景信息。二维低通数字滤波处理采用开窗求取均值，替换窗中心像素灰度的方法处理全图像。单点校正使图像的高频非均匀性噪声得以清除。基于斩波器的红外图像非均匀性校正流程是(参见图6)固定图像噪声的低频部分可以通过成像光路图像与灰体遮挡图像求和之后生成的带通差分图像得到校正，固定图像噪声的高频部分可由成像光路图像与漫反射遮挡图像生成的差分图像经过单点校正和二维低通数字滤波得到处理，之后固定图像噪声的低频部分与固定图像噪声的高频部分求和，得到非均匀性校正图像，从而完成整个校正过程。

Claims (4)

1.一种基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设计具有双温度特性斩波器的结构方案：

双温度特性的斩波器主要包括连接件、灰体遮挡片、漫反射遮挡片；其中连接件与灰体遮挡片和漫反射遮挡片连接，带动灰体遮挡片和漫反射遮挡片转动；灰体遮挡片用于反射辐射源的热辐射，形成校正参考源；漫反射遮挡片用于反射辐射源的冷辐射，构成单点校正的补偿参考源；

步骤二、建立识别斩波遮挡图像的数学分析模型：

斩波器转动过程中各类斩波图像产生的时间相对固定，构建斩波器完全遮挡成像孔径的状态模型，便可类推到其他状态模型，由此将斩波器定位检测的工程问题转化为用方程求解的数学分析问题；

在斩波器转动一周的时间内，针对所有可能出现的初始位置情况，每一种初始位置出现的完全遮挡状态出现的次数记为k，找到完全遮挡状态出现的最少次数N，这样才能保证积分信号的确定发送方式下对于任意初始位置条件帧周期都能处于完全遮挡时间内；基于数据分析模型，上述问题便可以转化为在斩波器所有可能初始位置中找到k的最少可取值数N；

步骤三、设计红外探测器、红外成像器与斩波器的步进脉冲周期之间的同步控制算法：

系统向红外探测器发送积分信号，红外成像器会在积分信号时长内采集图像，然后由红外探测器向系统发送图像信号，发送积分信号的间隔为T，图像的帧周期也为T，斩波器的步进脉冲周期为T/N；在遮挡图像检测阶段，斩波器转动一周内如果出现N次完全遮挡状态，则系统向斩波器的步进电机需要发送N种相位对应的积分信号与脉冲信号；

步骤四、提出斩波遮挡图像的多积分相位搜索定位流程：

根据各测量值计算数学模型确定k的最少可取值数N；变换积分相位发送积分和电机脉冲信号；斩波器转动一周内接收到的图像序列逐帧地进行所有像素点的求和运算，统计出和值最小的一帧图像，记录此图像帧号；在发送N种相位对应同步积分信号后，得到N个最小值并在这些值中找出和值最小的一幅图像，即得到确定的漫反射完全遮挡图像，同时记录周号和帧号，以此帧号确定与漫反射图像位置对应的完全遮挡灰体图像和光路图像，以此周号确定校正工作状态下的积分信号相位，发送最终确定相位的积分信号开始图像的非均匀校正工作；

步骤五、设计基于斩波器的红外图像非均匀性校正流程：

固定图像噪声的低频部分可以通过成像光路图像与灰体遮挡图像求和之后生成的带通差分图像得到校正，固定图像噪声的高频部分可由成像光路图像与漫反射遮挡图像生成的差分图像经过单点校正和二维低通数字滤波得到处理，之后固定图像噪声的低频部分与固定图像噪声的高频部分求和，得到非均匀性校正图像，从而完成整个校正过程。

2.根据权利要求1所述的基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于所述步骤一的灰体遮挡片是扇形结构，表面涂覆碳化硅材料。

3.根据权利要求1所述的基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于所述步骤一的漫反射遮挡片是扇形结构，表面是镀铜合金。

4.根据权利要求1所述的基于斩波器的红外图像非均匀性校正方法，其特征在于所述步骤三采用5个灰体遮挡片和1个漫反射遮挡片。