CN110850500A

CN110850500A - 一种红外图像多段单点校正参数修正方法

Info

Publication number: CN110850500A
Application number: CN201911161375.5A
Authority: CN
Inventors: 毛建森; 孙军月; 王沛
Original assignee: BEIJING CHANGFENG KEWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING CHANGFENG KEWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-11-24
Filing date: 2019-11-24
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-11-24
Also published as: CN110850500B

Abstract

本发明提出一种红外图像多段单点校正参数修正方法，通过利用在不同时间多次开机情况下探测器的响应曲线增益变化不大的特点，对不同温度段的多段校正补偿参数进行个性化修正，改善现有的两点多段单点校正算法在不同温度段使用同一组补偿参数的不足，使其在初始温度段以外的其它温度段依然能够获取较好的非均匀性校正效果，从而进一步提高红外图像的质量。

Description

一种红外图像多段单点校正参数修正方法

技术领域

本发明属于红外成像及红外探测器技术领域，涉及对红外图像的非均匀性校正技术，具体涉及一种红外探测器图像多段单点校正参数修正方法。

背景技术

由于红外探测器各单元的响应度不一致、读出电路以及读出电路与探测器耦合等因素的存在，导致所得到的红外图像具有非均匀性，如图1所示。这将使得红外成像系统对温度和目标细节的分辨能力显著下降，严重影响红外成像系统的实际应用，因此必须对红外成像系统进行非均匀性校正，降低固定模式噪声，提高成像质量。

现有的非均匀校正法大致分为二大类。第一种是基于定标的方法，其根据不同温度参考源来计算探测器各单元的增益和偏置参数，主要包括一点定标法、两点定标法、多点定标法、“s”曲线模型法、最小二乘多项式拟合法；第二种是基于场景的方法，该种方法利用场景信息来估计探测器参数，主要有恒定统计平均法、卡尔曼滤波法、时域高通滤波法、轨迹跟踪法、人工神经网络法、代数法等。其中两点定标法的应用比较广泛，特别是基于两点定标法发展出来的两点多段单点校正方法可以在更大的温度范围对红外图像进行非均匀性校正，并且可以对两点多段校正后的参数进行修正，在实际应用中取得了较好的效果。该方法的主要实现方式是在出厂前标定不同温度段的两点校正参数，在开机时利用工作环境仅能提供的特定温度均匀辐射面进行单点修正，并将得到的补偿参数用于修正各段的两点校正结果，在随后的使用时根据需要自动切换到对应的系数段实现校正。这种方法具体操作起来简便可行，而且在整个温度段特别是在特定温度所在的温度段表现很好，然而实际应用时当系统切换到除特定温度所在温度段外的其它温度段时，由于此时场景温度与初始温度段差别较大，致使该方法的校正效果与理想效果之间仍有一定差距。

发明内容

本发明的目的是针现有红外探测器图像两点多段单点校正方法的不足进行改进，提供一种多段校正参数修正方法，以期进一步提高红外图像的质量。

本发明的技术方案如下：

一种红外图像多段单点校正参数修正方法，其特征在于，采用以下步骤：

(1)红外成像系统出厂前：

(11)将红外成像系统需要工作的温度范围根据需求合理地划分为K段，然后分别按照以下公式

获取各段的两点校正系数包括增益G_k(i,j)和偏置O_k(i,j)并预存至系统中；

上述公式中，i和j代表宽高为M×N的图像中的第i行、第j列，

和

分别为探测器各单元在入射辐射φ(T1)和φ(T2)各自作用下的原始响应信号H(i,j)和L(i,j)的平均值；

(12)计算系统工作时所提供的特定校正温度的均匀辐射值与各温度段的段中温度的均匀辐射值的差值矩阵δ_k01(i,j)、δ_k02(i,j)、...δ_k0K(i,j)，并将这些差值矩阵预存至系统中；

(2)红外成像系统工作时：

(21)上电后在初始温度段k0利用以下公式

Δ_k0(i,j)＝M_k0-y_k0(i,j)＝M_k0-(x_k0(i,j)×G_k0(i,j)+O_k0(i,j))

得到基准补偿参数Δ_k0(i,j)，上述公式其中

是红外系统初始工作时对特定温度均匀辐射面响应值的均值；

(22)在工作过程中，根据实际需要，当切换到第k1温度段时，首先利用以下公式

求得一次补偿参数Δ_k1(i,j)；

(23)然后对每帧图像，按以下公式

进行图像非均匀校正，以得到校正后的优质图像。

本发明通过利用在不同时间多次开机情况下探测器的响应曲线增益变化不大的特点，对不同温度段的多段校正补偿参数进行个性化修正，改善已有的两点多段单点校正算法在不同温度段使用同一组补偿参数的不足，使其在初始温度段以外的其它温度段依然能够获取较好的非均匀性校正效果，从而进一步提高红外图像的质量。

附图说明

图1是一种典型的图像非均匀性表现方式效果图；

图2是采用本发明的多段单点校正参数修正方法的校正效果图。

具体实施方式

本发明是对现有红外探测器图像两点多段校正方法以及两点多段单点校正方法的基础上进行的改进，因此对本发明的实现方式，有必要结合两点多段校正方法以及两点多段单点校正方法进行说明：

1、两点多段校正方法：

两点校正法是建立在每个探测单元的响应是线性的和探测单元的响应必须具有时间的稳定性两个假设的前提之下。

两点校正法就是在两个入射辐射φ(T1)和φ(T2)处把探测器各单元的信号V_si校正为一致的平均信号V_s(T1)和V_s(T2)，其过程主要由标定和补偿两部分组成。首先需要测出探测器各单元分别在两个不同温度的均匀辐射φ(T1)和φ(T2)条件下的输出响应H(i,j)和L(i,j)，接着可以根据如下公式(1)和(2)得到各单元的校正因子，包括增益G(i,j)和偏置O(i,j)。其中，

和

分别为探测器各单元在φ(T1)和φ(T2)两个辐射各自作用下的原始响应信号H(i,j)和L(i,j)的平均值。然后将校正因子G(i,j)和O(i,j)存入相应的存储单元，这样就完成了非均匀性的两点标定。

最终在实际使用时对于宽高为M×N的图像，位于第i行、第j列的探测元可以按公式(3)完成两点校正。其中，y(i,j)是像元x(i,j)是经过两点校正后的值。

y(i,j)＝x(i,j)×G(i,j)+O(i,j) (3)

用两点校正法对具有线性响应的探测器进行校正，可以取得良好的校正效果，理论上可以完全消除非均匀性，是一种简而有效的校正方法。但实际上由于探测器响应的非线性特性，即对于不同的入射辐射探测器具有不同的响应度，响应曲线并非是一条直线。考虑到探测器响应在局部温度范围内具有类似线性响应的特性，可以将探测器响应曲线合理地分成若干段，每一段都用两点校正算法进行校正从而引入两点多段校正法。两点多段校正法利用分段线性函数来逼近探测器的非线性响应函数，相比于多点插值校正法运算量大的不足，可以充分发挥其计算量小的优点实现实时校正，并且具有很好的效果。假设将红外成像系统工作的温度范围合理地划分为K段，则两点多段的校正方法如公式(4)所示。

3、两点多段单点校正方法：

在实际使用中由于探测器单元在时间上并不具有稳定性，所以当采用出厂前所预置的增益和偏置系数对红外系统进行两点多段校正后仍然有非均匀残余。一般情况下此时由于工作环境所限，无法获得两个高低温的均匀辐射面，往往只能获得一个特定温度(设该温度位于k0段内)的均匀辐射面。在实际应用时可以利用该均匀辐射面对采用出厂参数进行两点多段校正后的图像做一次单点校正以获得一个补偿参数Δ_k0(i,j)，利用该参数对之前各温度段两点校正后的结果进行补偿如式(5)所示。

Δ_k0(i,j)＝M_k0-y_k0(i,j)＝M_k0-(x_k0(i,j)×G_k0(i,j)+O_k0(i,j)) (5)

其中，

是红外系统初始工作时对特定温度均匀辐射面响应值的均值。

在使用该多段单点校正方法进行图像非均匀性校正的过程中，当切换到其它温度段时，同样用在特定温度得到的补偿参数Δ_k0(i,j)对当前温度段的校正结果进行补偿修正。其整个校正方法如公式(6)所示。

3、两点多段单点校正中参数修正方法的不足：

由于上述方法将第k0段中求得的Δ_k0(i,j)直接应用于其它温度段中，致使该校正方法在除k0段外的其它温度段表现稍差。虽然系统在实际工作时只能得到一个特定温度的均匀辐射面，但试想如果每个温度段内都可以获得一个特定温度的均匀辐射面，便可以求得个性化的对应的Δ_k0(i,j)，此时各温度段内的校正效果都将会有第k0段的表现。因此可以暂且假设系统工作时在第k1(k1≠k0)温度段也能得到一个特定的均匀辐射面，则在第k1温度段便可以求得对应的补偿参数Δ_k1(i,j)，如公式(7)所示。

Δ_k1(i,j)＝M_k1-y_k1(i,j)＝M_k1-(x_k1(i,j)×G_k1(i,j)+O_k1(i,j)) (7)

如公式(8)所示，

Δ_k1(i,j)-Δ_k0(i,j)＝M_k1-(x_k1(i,j)×G_k1(i,j)+O_k1(i,j))-[M_k0-(x_k0(i,j)×G_k0(i,j)+O_k0(i,j))] (8)

比较Δ_k1(i,j)和Δ_k0(i,j)可以看出，如果按之前所述的方法使用Δ_k0(i,j)直接代替Δ_k1(i,j)，相当于默认为Δ_k1(i,j)-Δ_k0(i,j)＝0，实际上两者之差通常并不为零，这也解释了该种方法在其它温度段的表现不如在k0段表现好的原因。

4、对两点多段单点校正中参数修正方法的改进：

观察公式(8)中只有x_k1(i,j)和M_k1是未知的，

而

所以如果能对x_k1(i,j)做出估计，则就可以通过Δ_k0(i,j)来求得Δ_k1(i,j)，从而得到较为理想的修正结果。通过对公式(8)做进一步的调整可以得到公式(9)：

观察公式(9)，考虑到在不同时间多次开机情况下探测单元的响应曲线增益变化不大，即同样的两个温度在不同时间多次开机情况下探测单元的响应值之差变化不大。如果将x_k0(i,j)-x_k1(i,j)的值记为δ_k01(i,j)，则在出厂前可以对δ_k01(i,j)进行提前计算并预存在系统中，在实际工作时直接将预存值作为当前的δ_k01(i,j)使用，这样便可以利用Δ_k0(i,j)对Δ_k1(i,j)做出估算而非直接替代，即可以利用公式(10)对Δ_k1(i,j)的值进行估算。

按照上述思路对多段单点校正进行参数补偿，多段单点校正的公式(6)将变化为如公式(11)所示的多段单点校正参数修正方法，即本发明的方法。

5、本发明的具体实现方式如下：

(1)红外成像系统出厂前：

(11)将红外成像系统需要工作的温度范围根据需求合理地划分为K段，然后分别按照公式(1)和(2)获取各段的两点校正系数包括增益G_k(i,j)和偏置O_k(i,j)并预存至系统中；

(2)红外成像系统工作时：

(21)上电后在初始温度段k0利用公式(5)得到基准补偿参数Δ_k0(i,j)；

(22)在工作过程中，根据实际需要，当切换到第k1温度段时，首先利用公式(10)求得一次补偿参数Δ_k1(i,j)；

(23)然后对每帧图像，按公式(11)进行图像非均匀校正，以得到校正后的优质图像。

为了对本发明提出的方法进行进一步的验证，设计以下实验。在实验中将探测系统的工作温度范围10～55℃分成10～30℃和35～55℃两个温度段，其中高温段35～55℃作为k0段，低温段10～30℃作为k1段，在k0段选取45℃的均匀辐射面x_k0(i,j)按公式(5)得到基准补偿参数Δ_k0(i,j)。

按照本发明的参数补偿思路，利用出厂预置的δ_k01(i,j)(由出厂前探测系统分别对45℃和20℃均匀辐射面的响应值得到的差值矩阵)和基准补偿参数Δ_k0(i,j)按公式(10)估算出k1段的补偿参数Δ_k1(i,j)。

分别用Δ_k0(i,j)和Δ_k1(i,j)补偿系统切换到k1段时的两点校正后的值，对得到的两种多段单点校正结果进行对比。利用公式(12)和(13)分别求出k1段内各个温度下两种参数补偿方法校正后整幅图像的标准差SD(Standard deviation，SD)，如表1所示，对比衡量两种参数修正方法的性能，其中New_SD和Old_SD分别代表新旧两种参数修正方法进行多段单点校正后图像的SD。

表1两种参数修正方法的校正结果对比

从表1中可以看出本发明所提出的新的两点多段单点校正参数修正方法较之前的方法所得到图像的SD更小，平均降低了1.34，使得校正后图像的非均匀性平均提高了17.23％，校正后的图像效果如图2所示。