CN110672214A - 一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，属于红外热成像技术领域，包括以下步骤，S1、每隔5个FPA采集稳定不变辐射源下机芯的原始图像数据，纪录当前FPA值；S2、对获取的多组图像原始像素值进行预处理，剔除像素中的固定盲元和闪烁盲元，分别对每个像素点数据进行线性一次拟合，采用最小二乘法，输出机芯温漂最佳拟合参数K；S3、优化代码，缩短参数计算时间；S4、计算图像最值，同时实时定性计算图像非均匀性，验证参数正误；S5、拟合得到的参数添加到上位机中，测试参数补偿效果。本发明解决由于FPA自身随着时间变化，导致成像画面中出现竖条纹及一般参数获取方法的偶然性问题。
Description
技术领域
本发明属于红外热成像技术领域，涉及一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法。
背景技术
由于制造材料、工艺等存在缺陷、信号电荷传输的障碍等，红外焦平面阵列器件不可避免的存在非均匀性，焦平面探测器的原理是其焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像，利用红外焦平面阵列(IRFPA)可简化或取消光机扫描以改善系统性能，未来红外系统(如热成像系统、导引系统、监视系统)中的信号探测几乎都将建立在红外探测器焦平面阵列的基础上；
红外焦平面的非均勻性会使图像变得模糊，甚至造成目标的不可识别，严重影响成像质量，因此实时的非均匀校正在热成像系统的信号处理中是很重要的步骤，焦平面阵列简称为FPA(focal plane array)，由于非制冷红外成像机芯的非均匀校正参数获取是在FPA值不变的前提下进行的，所以在进行非均匀校正之前需要对采集的原始数据进行FPA温漂补偿。
温漂补偿是针对FPA自身随着工作时间发生变化，对成像产生影响，导致图像中竖条纹的出现，假设FPA漂移与探测器像元之间是线性的，需要得到FPA值变化1，每个像元的偏移量，也就是我们要求取的温漂系数。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，解决由于FPA自身随着时间变化，导致成像画面中出现竖条纹及一般参数获取方法的偶然性问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，包括以下步骤，
S1、每隔5个FPA采集稳定不变辐射源下机芯的原始图像数据，纪录当前FPA值；
S2、对获取的多组图像原始像素值进行预处理，剔除像素中的固定盲元和闪烁盲元，分别对每个像素点数据进行线性一次拟合，采用最小二乘法，输出机芯温漂最佳拟合参数K；
S3、优化代码，缩短参数计算时间；
S4、计算图像最值，同时实时定性计算图像非均匀性，验证参数正误；
S5、拟合得到的参数添加到上位机中，测试参数补偿效果。
进一步的，在所述步骤S1中，按照以下步骤进行，
S11、设置目标辐射源稳定不变；
S12、机芯去掉镜头距离均匀辐射面4～6mm，纪录此时FPA值，同时输出机芯对应的图像原始数据；
S13、随着探测器稳定，FPA值上升，每上升5个FPA值，纪录当前FPA并对应输出探测器原始图像数据。
进一步的，在所述步骤S2中，按照以下步骤进行，
S21、将保存的图像数据文件名修改为对应FPA值；
S22、根据固定盲元和闪烁盲元定义，计算固定盲元和闪烁盲元位置，将图像中所有的固定盲元和闪烁盲元进行替换；
S23、按照FPA升序读取探测器原始响应数值作为拟合因变量，提取对应文件名作为自变量；
S24、图像数据为288*384矩阵，按照(1，1)，(1，2)，...，(288，383)，(288，384)次序，对每个像素点进行参数拟合.
进一步的，在所述步骤S3中，代码为MATLAB代码，利用for循环语句优化代码、缩短参数计算时间。
进一步的，在所述步骤S4中，验证参数K正误的处理过程中，统计步骤S3得到的温漂参数中最大值和最小值，确认是否有超过误差要求的错值。
进一步的，在所述步骤S5中，按照以下步骤进行，
S51、移植参数K，对图像进行温漂补偿；
S52、降低温箱温度达到改变机芯工作环境温度的目的；
S53、观察图像竖条纹出现情况，并与传统算法进行对比。
进一步的，温漂参数作用于原始图像数据，假设此时的FPA值为N，读取的探测器原始数据Data_pre，温漂补偿后的数据Data_new用公式表示如下：
Dstanew＝Datapre-(N-N1)*K。
进一步的，实时计算图像非均匀指标，对图像非均匀性进行定性分析，用公式表述如下：
其中，M×N为图像分辨率，d为图像中的固定盲元，h为图像中的闪烁盲元，yij为像元响应值，
为平均响应。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明对环境及自身要求较一般FPA补偿参数获取方法低，有着操作简便易上手，参数误差小，补偿效果好的优点，一般的温漂参数获取方法，可以有效减少因FPA自身改变产生的竖条纹，基本能够满足补偿要求，但是获取方法具有一定偶然性，常常需要多次重复实验和验证，才能得到效果较好的参数，本发明在一般的获取方法上进行了进一步的优化，使得操作更简化，效果更好；
2、利用采集稳定辐射源下不同FPA值对应的探测器原始像素值，利用MATLAB拟合工具，通过数据最小误差平方和实现参数最优求解，算法更加精准，算法原理清晰简便，提高了温漂参数计算精度；减小了错误数据及盲元点带来的误差；本方法对测试环境及图像数据要求不高，适应性及实用性较高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法的流程示意图；
图2为本发明温漂参数拟合曲线示意图；
图3为本发计算固定盲元和闪烁盲元位置的流程图；
图4为本发明一种非制冷红外热成像未进行温漂补偿的示意图；
图5为本发明一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法实施效果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1～图5所示，本发明为一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，包括包括以下步骤，
S1、每隔5个FPA采集稳定不变辐射源下机芯的原始图像数据，纪录当前FPA值；
S2、对获取的多组图像原始像素值进行预处理，剔除像素中的固定盲元和闪烁盲元，分别对每个像素点数据进行线性一次拟合，两个变量之间的关系是一次函数关系的，图象是直线，这样的两个变量之间的关系就是“线性关系”，拟合就是为了找到那条，对所有点来说，残差平方和最小的直线，用一条直线代替样本点，以达到预测的作用，采用最小二乘法，输出机芯温漂最佳拟合参数K，固定盲元和闪烁盲元统称为盲元，确定盲元的流程和步骤参照图2所示；
S3、优化代码，缩短参数计算时间；
S4、计算图像最值，同时实时定性计算图像非均匀性，验证参数正误；
S5、拟合得到的参数添加到上位机中，测试参数补偿效果。
优选地，在步骤S1中，按照以下步骤进行，
S11、设置目标辐射源稳定不变；
S12、机芯去掉镜头距离均匀辐射面4～6mm，纪录此时FPA值，同时输出机芯对应的图像原始数据；
S13、随着探测器稳定，FPA值上升，每上升5个FPA值，纪录当前FPA并对应输出探测器原始图像数据，当FPA间隔较大时，温漂补偿参数较大，图像存在较严重的条纹噪声。
优选地，在步骤S2中，按照以下步骤进行，
S21、将保存的图像数据文件名修改为对应FPA值；
S22、根据固定盲元和闪烁盲元定义，计算固定盲元和闪烁盲元位置，将图像中所有的固定盲元和闪烁盲元进行替换；
S23、按照FPA升序读取探测器原始响应数值作为拟合因变量，提取对应文件名作为自变量；
S24、图像数据为288*384矩阵，按照(1，1)，(1，2)，...，(288，383)，(288，384)次序，对每个像素点进行参数拟合.
优选地，在步骤S3中，代码为MATLAB代码，利用for循环语句优化代码、缩短参数计算时间，MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂(矩阵实验室)，是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式，MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
优选地，在步骤S4中，验证参数K正误的处理过程中，统计步骤S3得到的温漂参数中最大值和最小值，确认是否有超过误差要求的错值，通过实验验证，当温漂补偿参数较大时，红外图像竖条纹噪声较大，通常验证参数范围在-12-12内。
优选地，在步骤S5中，按照以下步骤进行，
S51、移植参数K，对图像进行温漂补偿；
S52、降低温箱温度达到改变机芯工作环境温度的目的；
S53、观察图像竖条纹出现情况，并与传统算法进行对比。
优选地，温漂参数作用于原始图像数据，假设此时的FPA值为N，读取的探测器原始数据Data_pre，温漂补偿后的数据Data_new用公式表示如下：
Datanew＝Datapre-(N-N1)*K，其中，N为当前FPA值，N1为挡片时刻下FPA值。
优选地，实时计算图像非均匀指标，用UR表示，对图像非均匀性进行定性分析，用公式表述如下：
其中，M×N为图像分辨率，d为图像中的固定盲元，h为图像中的闪烁盲元，yij为像元响应值，
为平均响应。
在实际工作过程中，利用采集稳定辐射源下不同FPA值对应的探测器原始像素值，利用MATLAB拟合工具，通过数据最小误差平方和实现参数最优求解，首先，去掉机芯镜头，将其距离均匀辐射面5mm摆放，采集由探测器输出的电压信号，该部分信号为模拟信号，由ADC芯片转换后生成多位数字信号即图像灰度像素值，每隔5个FPA采集一组，其次，将像素值对应的FPA值设为自变量，图像数据为因变量，利用MATLAB拟合工具对其进行最小二乘法参数拟合，提取拟合曲线的斜率为温漂参数，检测获取的参数正误，加载到上位机中验证其补偿效果。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、每隔5个FPA采集稳定不变辐射源下机芯的原始图像数据，纪录当前FPA值；
S2、对获取的多组图像原始像素值进行预处理，剔除像素中的固定盲元和闪烁盲元，分别对每个像素点数据进行线性一次拟合，采用最小二乘法，输出机芯温漂最佳拟合参数K；
S3、优化代码，缩短参数计算时间；
S4、计算图像最值，同时实时定性计算图像非均匀性，验证参数正误；
S5、拟合得到的参数添加到上位机中，测试参数补偿效果。
2.根据权利要求1所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：在所述步骤S1中，按照以下步骤进行，
S11、设置目标辐射源稳定不变；
S12、机芯去掉镜头距离均匀辐射面4～6mm，纪录此时FPA值，同时输出机芯对应的图像原始数据；
S13、随着探测器稳定，FPA值上升，每上升5个FPA值，纪录当前FPA并对应输出探测器原始图像数据。
3.根据权利要求2所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：在所述步骤S2中，按照以下步骤进行，
S21、将保存的图像数据文件名修改为对应FPA值；
S22、根据固定盲元和闪烁盲元定义，计算固定盲元和闪烁盲元位置，将图像中所有的固定盲元和闪烁盲元进行替换；
S23、按照FPA升序读取探测器原始响应数值作为拟合因变量，提取对应文件名作为自变量；
S24、图像数据为288*384矩阵，按照(1，1)，(1，2)，...，(288，383)，(288，384)次序，对每个像素点进行参数拟合。
4.根据权利要求2所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：在所述步骤S3中，代码为MATLAB代码，利用for循环语句优化代码、缩短参数计算时间。
5.根据权利要求1所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：在所述步骤S4中，验证参数K正误的处理过程中，统计步骤S3得到的温漂参数中最大值和最小值，确认是否有超过误差要求的错值。
6.根据权利要求1所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：在所述步骤S5中，按照以下步骤进行，
S51、移植参数K，对图像进行温漂补偿；
S52、降低温箱温度达到改变机芯工作环境温度的目的；
S53、观察图像竖条纹出现情况，并与传统算法进行对比。
7.根据权利要求6所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：温漂参数作用于原始图像数据，假设此时的FPA值为N，读取的探测器原始数据Data_pre，温漂补偿后的数据Data_new用公式表示如下：
Datanew＝Datapre-(N-N1)*K。
8.根据权利要求6所述的一种非制冷红外热成像温漂补偿参数获取方法，其特征在于：实时计算图像非均匀指标，对图像非均匀性进行定性分析，用公式表述如下：
其中，M×N为图像分辨率，d为图像中的固定盲元，h为图像中的闪烁盲元，yij为像元响应值，
为平均响应。
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