CN105371964B - 红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法和装置，该方法包括以下步骤：首先计算探测器对应的非均匀校正系数；然后根据对应的非均匀校正系数对探测器进行非均匀校正。该方法通过对红外探测器进行多段非均匀校正，及段非均匀校正系数之间的实时无缝切换技术，有效改善探测器全温响应范围的非均匀性，在改善系统的成像质量及其探测性能的同时，既不改变系统的操作复杂度，又较好工程实用性和使用灵活性。该方法可以应用在各类红外成像系统及探测系统中。

Description

红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法和装置

技术领域

本发明涉及红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法和装置。

背景技术

由于红外探测器的响应在宽温度范围表现出很强的非线性性，无法针对整个红外探测器的响应温度段进行非均匀校正。传统的非均匀校正方法截取探测器响应的一段近似线性区间进行非均匀校正，而在该区间外的响应温度段，探测器的非均匀性会变差，无法保证红外探测器在全温响应段都具有良好的非均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，用以解决传统的非均匀校正方法无法对整个红外探测器的响应温度段进行非均匀校正的问题。本发明同时提供一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，包括以下步骤：

(A)计算探测器对应的非均匀校正系数：在红外探测器的固定积分时间下测量出探测器的近似线性响应温差及其全温响应区间；根据所述近似线性响应温差将所述全温响应区间分为N段近似线性响应温度区间；分别采集在所述N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数；

(B)根据对应的非均匀校正系数对探测器进行非均匀校正：对探测器成像的中心区域的探测器响应值中相同的响应值进行个数统计，通过统计来确定探测器成像的中心区域的探测器响应值在所述N段近似线性响应温度区间中的对应位置；然后根据所述对应位置对应的非均匀校正系数进行校正。

实现对应位置的确定以及根据对应位置对应的非均匀校正系数进行校正的手段为：

(a)、统计个数的最大值对应的探测器响应值与N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，确定探测器成像的中心区域的探测器响应值落在N段近似线性响应温度区间中的哪一个区间；所述探测器成像的中心区域的探测器响应值为所述个数的最大值对应的探测器响应值；

(b)、根据计算得到的所述探测器成像的中心区域的探测器响应值落在的温度区间对应的非均匀校正系数，完成该探测器的非均匀校正。

实现所述N段近似线性响应温度区间划分的手段为：T₁～(T₁+ΔT)、(T₁+ΔT-M)～(T₁+2·ΔT-2·M)、(T₁+2·ΔT-2·M)～(T₁+3·ΔT-3·M)、…、(T₁+(N-1)·ΔT-(N-1)·M)～T₂，其中，ΔT为近似线性响应温差，T1～T2为全温响应区间，M为两个相邻线性响应温度区间的重合温度段，M＜ΔT。

实现所述计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数的手段为：

1)、对于探测器的N段近似线性响应温度区间内的其中一段温度区间，分别连续采集X帧探测器对黑体高低温点的响应图像数据y_ij(T_H)和y_ij(T_L)；其中，探测器为L×K元红外探测器，L和K分别表示L×K元探测器的行与列大小，y_ij(T_H)和y_ij(T_L)分别表示各个红外探测像元对黑体的高温响应值及低温响应值，i＝0，1，……，L-1；j＝0，1，……，K-1；T_H和T_L分别代表黑体的高温及低温温度；

3)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据L×K个红外探测器像元的响应平均值和其中，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的高温响应均值，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的低温响应均值；

重复上述步骤1)～4)，分别计算出探测器的N段近似线性响应温度区间的非均匀校正系数和其中，l＝0，1……，N-1。

实现所述步骤(b)中的非均匀校正的手段为：

按照公式x_ij(n)＝G_ij ⁿy_ij(n)+O_ij ⁿ完成该探测器的非均匀校正，其中，第n段近似线性响应温度区间为所述个数的最大值对应的探测器响应值落在的温度区间；和为第n段近似线性响应温度区间对应的非均匀校正系数；x_ij(n)为非均匀校正后的输出；y_ij(n)为非均匀校正前的输出。

一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，包括：

(A)用于计算探测器对应的非均匀校正系数的非均匀校正系数计算模块：在红外探测器的固定积分时间下测量出探测器的近似线性响应温差及其全温响应区间；根据所述近似线性响应温差将所述全温响应区间分为N段近似线性响应温度区间；分别采集在所述N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数；

(B)用于根据对应的非均匀校正系数对探测器进行非均匀校正的非均匀校正模块：对探测器成像的中心区域的探测器响应值中相同的响应值进行个数统计，通过统计来确定探测器成像的中心区域的探测器响应值在所述N段近似线性响应温度区间中的对应位置；然后根据所述对应位置对应的非均匀校正系数进行校正。

实现对应位置的确定以及根据对应位置对应的非均匀校正系数进行校正的手段为：

(a)、统计个数的最大值对应的探测器响应值与N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，确定探测器成像的中心区域的探测器响应值落在N段近似线性响应温度区间中的哪一个区间；所述探测器成像的中心区域的探测器响应值为所述个数的最大值对应的探测器响应值；

(b)、根据计算得到的所述探测器成像的中心区域的探测器响应值落在的温度区间对应的非均匀校正系数，完成该探测器的非均匀校正。

实现所述N段近似线性响应温度区间划分的手段为：T₁～(T₁+ΔT)、(T₁+ΔT-M)～(T₁+2·ΔT-2·M)、(T₁+2·ΔT-2·M)～(T₁+3·ΔT-3·M)、…、(T₁+(N-1)·ΔT-(N-1)·M)～T₂，其中，ΔT为近似线性响应温差，T1～T2为全温响应区间，M为两个相邻线性响应温度区间的重合温度段，M＜ΔT。

实现所述计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数的手段为：

1)、对于探测器的N段近似线性响应温度区间内的其中一段温度区间，分别连续采集X帧探测器对黑体高低温点的响应图像数据y_ij(T_H)和y_ij(T_L)；其中，探测器为L×K元红外探测器，L和K分别表示L×K元探测器的行与列大小，y_ij(T_H)和y_ij(T_L)分别表示各个红外探测像元对黑体的高温响应值及低温响应值，i＝0，1，……，L-1；j＝0，1，……，K-1；T_H和T_L分别代表黑体的高温及低温温度；

3)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据L×K个红外探测器像元的响应平均值和其中，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的高温响应均值，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的低温响应均值；

重复上述步骤1)～4)，分别计算出探测器的N段近似线性响应温度区间的非均匀校正系数和其中，l＝0，1……，N-1。

实现所述步骤(b)中的非均匀校正的手段为：

按照公式x_ij(n)＝G_ij ⁿy_ij(n)+O_ij ⁿ完成该探测器的非均匀校正，其中，第n段近似线性响应温度区间为所述个数的最大值对应的探测器响应值落在的温度区间；和为第n段近似线性响应温度区间对应的非均匀校正系数；x_ij(n)为非均匀校正后的输出；y_ij(n)为非均匀校正前的输出。

针对以上问题，提出一种制冷型红外探测器在全温响应范围消除非均匀性的方法和装置，该方法通过对红外探测器进行多段非均匀校正，及段非均匀校正系数之间的实时无缝切换技术，有效改善探测器全温响应范围的非均匀性，在改善系统的成像质量及其探测性能的同时，既不改变系统的操作复杂度，又较好工程实用性和使用灵活性。

本发明通过对探测器的全温响应区间进行多段线性近似，分别进行非均匀校正，并通过对图像目标的实时统计，实现探测器多段非均匀校正系数之间的实时无缝切换。该方法有效改善探测器全温响应范围的非均匀性，从而改善系统的成像质量及其探测性能，同时该方法既不改变系统的操作复杂度，又较好工程实用性和使用灵活性，使该方法可以灵活应用在各类红外成像系统及红外探测系统中。

附图说明

图1是消除非均匀性的方法一种实施方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例

本发明提供的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法是基于一个红外探测器非均匀校正系统，该校正系统由一个640×512行列大小的中波红外探测器构成的成像组件和红外低温黑体构建的。利用该校正系统进行消除非均匀性的方法，即非均匀校正方法具体有以下步骤：

(1)、在红外探测器的固定积分时间下测量出探测器的近似线性响应温差ΔT及其全温响应区间T₁～T₂。

(2)、根据近似线性响应温差ΔT将全温响应区间T₁～T₂分为N段近似线性响应温度区间。在该实施例中，将这N段近似线性响应温度区间依次划分为：T₁～(T₁+ΔT)、(T₁+ΔT-M)～(T₁+2·ΔT-2·M)、(T₁+2·ΔT-2·M)～(T₁+3·ΔT-3·M)、…、(T₁+(N-1)·ΔT-(N-1)·M)～T₂，其中，M为两个相邻线性响应温度区间的重合温度段，M＜ΔT。设置重合温度段M，能够保证非均匀校正系数在两个相邻线性响应温度区间切换时的无缝衔接。

(3)、分别采集在探测器的N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数，一个近似响应温度区间对应一个非均匀校正系数。

具体为：

1)、对于探测器的N段近似线性响应温度区间内的其中一段温度区间，分别连续采集X帧探测器对黑体高低温点的响应图像数据y_ij(T_H)和y_ij(T_L)；其中，探测器为L×K元红外探测器，L和K分别表示L×K元探测器的行与列大小，y_ij(T_H)和y_ij(T_L)分别表示各个红外探测像元对黑体的高温响应值及低温响应值，i＝0，1，……，L-1；j＝0，1，……，K-1；T_H和T_L分别代表黑体的高温及低温温度；

3)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据L×K个红外探测器像元的响应平均值和其中，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的高温响应均值，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的低温响应均值；

重复上述步骤1)～4)，分别计算出探测器的N段近似线性响应温度区间的非均匀校正系数和其中，l＝0，1……，N-1。

(4)、为了便于调用，分别记录N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值；并且，将计算出的N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数分别写入FLASH和SDRAM的不同地址段中。

(5)、对探测器成像的中心区域的探测器响应值中相同的响应值进行个数统计，确定个数的最大值对应的探测器响应值在记录的N段近似线性响应温度区间内对应的区间。具体为：为了便于观察，将所有的探测器响应值进行直方图统计，个数的最大值也即该直方图中最高的矩形所对应的个数值。由于每个温度区间均对应一个探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值，那么，将个数的最大值对应的探测器响应值与记录的N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，确定探测器成像的中心区域的探测器响应值落在N段近似线性响应温度区间中的哪一个区间；探测器成像的中心区域的探测器响应值即为个数的最大值对应的探测器响应值。

另外，在一般情况下，如果探测器的响应量化数值为J位，那么其响应数值范围为0～2^J-1。

(6)、根据上述逐一比较而确定的对应的区间找到该区间对应的非均匀校正系数，根据该非均匀校正系数，完成该探测器的非均匀校正。具体为：

按照公式x_ij(n)＝G_ij ⁿy_ij(n)+O_ij ⁿ完成该探测器的非均匀校正，其中，第n段近似线性响应温度区间为个数的最大值对应的探测器响应值落在的温度区间，即为上述进行逐一比较而确定的对应的区间；和为该第n段近似线性响应温度区间对应的非均匀校正系数；x_ij(n)为非均匀校正后的输出；y_ij(n)为非均匀校正前的输出。

通过非均匀校正，即消除非均匀性，能够改善探测器对目标响应偏离原校正区间引入的非均匀性，提高红外系统成像质量。

以下针对上述方法给出一个具体应用实例，以便于说明该方法。

在红外探测器的固定积分时间3ms下测量出探测器的近似线性响应温差20℃及其全温响应区间-40℃～+30℃。

根据探测器的近似线性响应温差ΔT将制冷型红外探测器的全温响应区间等分成5段近似线性响应温度区间，分别为-40℃～-20℃、-25℃～-5℃、-10℃～10℃、5℃～25℃、20℃～30℃，其中两个相邻线性响应温度区间的重合温度段为5℃，从而保证非均匀校正系数在两个相邻线性响应温度区间切换时的无缝衔接。

在探测器的5段近似线性响应温度区间分别采集探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算5段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数，并分别记录5段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值。

将计算出的5段探测器非均匀校正系数同时写入FLASH和SDRAM的不同地址段中。

对于对地观察系统，对探测器成像的中心区域192×192区域的探测器响应值进行直方图统计。

统计结果的最大值对应的探测器响应值与记录的5个温度区间段内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，得到探测器中心区域(目标区域)的响应值落在探测器5个近似线性响应温度区间中的哪个。

下一帧从SDRAM的对应地址段中读取计算的该落在的近似线性响应温度区间的非均匀校正系数，根据该非均匀校正系数进行红外探测器的非均匀校正。通过非均匀校正能够改善探测器对目标响应偏离原校正区间引入的非均匀性，提高红外系统成像质量。

然后，如图1所示，对于对空小目标探测系统，对探测器成像的整体区域640×512的探测器响应值进行直方图统计。

统计结果的最大值对应的探测器响应值与记录的5个温度区间段内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，得到探测器整体区域(背景区域)的响应值落在探测器5个近似线性响应温度区间中的哪个。

下一帧从SDRAM的对应地址段中读取计算的该落在的近似线性响应温度区间的非均匀校正系数，根据该非均匀校正系数进行红外探测器的非均匀校正。通过非均匀校正能够改善探测器成像的背景偏离原校正区间引入的非均匀性，提高信噪比，改善小目标检出性能，降低虚警率，提高红外探测系统的探测性能。

上述分别对两种探测系统进行非均匀校正，当然，该校正方法并不局限于这两种探测系统，而且这两种探测系统的非均匀校正没有先后顺序，可以根据具体情况设定先后顺序。

装置实施例

该装置中的组成部分为功能模块，通过设置在各自模块中的软件程序来实现各功能模块对应的功能，由于软件程序实质上为控制方法，该控制方法在上述方法实施例中已经有了详细描述，这里不做赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)计算探测器对应的非均匀校正系数：在红外探测器的固定积分时间下测量出探测器的近似线性响应温差及其全温响应区间；根据所述近似线性响应温差将所述全温响应区间分为N段近似线性响应温度区间；分别采集在所述N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数；

(B)根据对应的非均匀校正系数对探测器进行非均匀校正：对探测器成像的中心区域的探测器响应值中相同的响应值进行个数统计，通过统计来确定探测器成像的中心区域的探测器响应值在所述N段近似线性响应温度区间中的对应位置；然后根据所述对应位置对应的非均匀校正系数进行校正；所述探测器成像的中心区域的探测器响应值为所述个数的最大值对应的探测器响应值。

2.根据权利要求1所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，其特征在于，实现对应位置的确定以及根据对应位置对应的非均匀校正系数进行校正的手段为：

(a)、统计个数的最大值对应的探测器响应值与N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，确定探测器成像的中心区域的探测器响应值落在N段近似线性响应温度区间中的哪一个区间；

(b)、根据计算得到的所述探测器成像的中心区域的探测器响应值落在的温度区间对应的非均匀校正系数，完成该探测器的非均匀校正。

3.根据权利要求1所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，其特征在于，实现所述N段近似线性响应温度区间划分的手段为：T₁～(T₁+ΔT)、(T₁+ΔT-M)～(T₁+2·ΔT-2·M)、(T₁+2·ΔT-2·M)～(T₁+3·ΔT-3·M)、…、(T₁+(N-1)·ΔT-(N-1)·M)～T₂，其中，ΔT为近似线性响应温差，T1～T2为全温响应区间，M为两个相邻线性响应温度区间的重合温度段，M＜ΔT。

4.根据权利要求2所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，其特征在于，

实现所述计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数的手段为：

1)、对于探测器的N段近似线性响应温度区间内的其中一段温度区间，分别连续采集X帧探测器对黑体高低温点的响应图像数据y_ij(T_H)和y_ij(T_L)；其中，探测器为L×K元红外探测器，L和K分别表示L×K元探测器的行与列大小，y_ij(T_H)和y_ij(T_L)分别表示各个红外探测像元对黑体的高温响应值及低温响应值，i＝0，1，……，L-1；j＝0，1，……，K-1；T_H和T_L分别代表黑体的高温及低温温度；

2)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据各个红外探测像元X帧响应的平均值和

3)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据L×K个红外探测器像元的响应平均值和其中，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的高温响应均值，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的低温响应均值；

4)、按照如下公式分别计算出红外图像非均匀校正系数，该非均匀校正系数分为非均匀校正增益与非均匀校正偏置量，计算公式依次为：和

重复上述步骤1)～4)，分别计算出探测器的N段近似线性响应温度区间的非均匀校正系数和其中，l＝0，1……，N-1。

5.根据权利要求4所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的方法，其特征在于，实现所述步骤(b)中的非均匀校正的手段为：

按照公式x_ij(n)＝G_ij ⁿy_ij(n)+O_ij ⁿ完成该探测器的非均匀校正，其中，第n段近似线性响应温度区间为所述个数的最大值对应的探测器响应值落在的温度区间；和为第n段近似线性响应温度区间对应的非均匀校正系数；x_ij(n)为非均匀校正后的输出；y_ij(n)为非均匀校正前的输出。

6.一种红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，其特征在于，包括：

(A)用于计算探测器对应的非均匀校正系数的非均匀校正系数计算模块：在红外探测器的固定积分时间下测量出探测器的近似线性响应温差及其全温响应区间；根据所述近似线性响应温差将所述全温响应区间分为N段近似线性响应温度区间；分别采集在所述N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体高低温点的响应值，然后分别计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数；

(B)用于根据对应的非均匀校正系数对探测器进行非均匀校正的非均匀校正模块：对探测器成像的中心区域的探测器响应值中相同的响应值进行个数统计，通过统计来确定探测器成像的中心区域的探测器响应值在所述N段近似线性响应温度区间中的对应位置；然后根据所述对应位置对应的非均匀校正系数进行校正；所述探测器成像的中心区域的探测器响应值为所述个数的最大值对应的探测器响应值。

7.根据权利要求6所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，其特征在于，实现对应位置的确定以及根据对应位置对应的非均匀校正系数进行校正的手段为：

(a)、统计个数的最大值对应的探测器响应值与N段近似线性响应温度区间内探测器对黑体的高温响应均值和低温响应均值进行逐一比较，确定探测器成像的中心区域的探测器响应值落在N段近似线性响应温度区间中的哪一个区间；

(b)、根据计算得到的所述探测器成像的中心区域的探测器响应值落在的温度区间对应的非均匀校正系数，完成该探测器的非均匀校正。

8.根据权利要求6所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，其特征在于，实现所述N段近似线性响应温度区间划分的手段为：T₁～(T₁+ΔT)、(T₁+ΔT-M)～(T₁+2·ΔT-2·M)、(T₁+2·ΔT-2·M)～(T₁+3·ΔT-3·M)、…、(T₁+(N-1)·ΔT-(N-1)·M)～T₂，其中，ΔT为近似线性响应温差，T1～T2为全温响应区间，M为两个相邻线性响应温度区间的重合温度段，M＜ΔT。

9.根据权利要求7所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，其特征在于，

实现所述计算N段近似线性响应温度区间对应的探测器的非均匀校正系数的手段为：

1)、对于探测器的N段近似线性响应温度区间内的其中一段温度区间，分别连续采集X帧探测器对黑体高低温点的响应图像数据y_ij(T_H)和y_ij(T_L)；其中，探测器为L×K元红外探测器，L和K分别表示L×K元探测器的行与列大小，y_ij(T_H)和y_ij(T_L)分别表示各个红外探测像元对黑体的高温响应值及低温响应值，i＝0，1，……，L-1；j＝0，1，……，K-1；T_H和T_L分别代表黑体的高温及低温温度；

2)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据各个红外探测像元X帧响应的平均值和

3)、分别计算黑体高温条件下及黑体低温条件下，图像数据L×K个红外探测器像元的响应平均值和其中，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的高温响应均值，Y_H为该温度区间下探测器对黑体的低温响应均值；

4)、按照如下公式分别计算出红外图像非均匀校正系数，该非均匀校正系数分为非均匀校正增益与非均匀校正偏置量，计算公式依次为：和

重复上述步骤1)～4)，分别计算出探测器的N段近似线性响应温度区间的非均匀校正系数和其中，l＝0，1……，N-1。

10.根据权利要求9所述的红外探测器在全温响应范围内消除非均匀性的装置，其特征在于，实现所述步骤(b)中的非均匀校正的手段为：

按照公式x_ij(n)＝G_ij ⁿy_ij(n)+O_ij ⁿ完成该探测器的非均匀校正，其中，第n段近似线性响应温度区间为所述个数的最大值对应的探测器响应值落在的温度区间；和为第n段近似线性响应温度区间对应的非均匀校正系数；x_ij(n)为非均匀校正后的输出；y_ij(n)为非均匀校正前的输出。