CN112903106A - 一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，检测方法即为构建完全盲元表，检测方法包括以下内容：构建红外盲元表；构建偏振盲元表：计算红外偏振焦平面上每个像元消光比；设置阈值c，当消光比小于阈值c时，即判断对应像元为偏振盲元，并将偏振盲元表上对应的位置置1，逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的偏振盲元表；其中，通过统计红外偏振焦平面上像元消光比的分布，以3σ准则选择c值；将红外盲元表与偏振盲元表进行或运算，即得到红外偏振焦平面的完全盲元表。解决了现有盲元检测方法无法检测出红外偏振焦平面所特有的偏振盲元的问题。
Description
技术领域
本发明属于偏振光学成像技术和光学成像实验技术领域，具体涉及一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法。
背景技术
非制冷式分焦平面红外偏振相机是一种可以用来测量红外光偏振信息的红外相机，其核心部件红外偏振焦平面的工作原理是通过在普通红外焦平面上覆盖一层由不同检偏方向(0°、45°、90°、135°)的微偏振片周期循环摆列组成的阵列来检测偏振信息，检偏方向的排布如图3，以检偏方向为0°的像素为例，其对0°的偏振光响应值最高，对90°的偏振光响应值最低，对45°和135°的偏振光响应值在前两者之间。场景发射的红外光经由镜头在焦平面成像，照射到焦平面的红外光经由每个像元前方的微偏振片调制后，由像元得到调制后的红外光的响应值。
普通红外焦平面受红外敏感元件、读出电路、半导体特性及放大电路等各种因素综合影响，普遍存在着盲元，若在成像时不进行相应的处理，盲元会使采集生成的红外图像出现亮点或暗点，严重影响成像质量。盲元也称为无效像元(Non-effective pixel)，无效像元包括死像元(Dead pixel)和过热像元(Overhot Pixel)，对于无效像元的定义，国标GB/T 17444-2013中主要是从器件本身对黑体辐射的响应程度作为量化指标的，死像元指像元响应率小于平均响应率1/2的像元，过热像元指像元噪声电压大于平均噪声电压2倍的像元。盲元的判断标准与像元响应率间的关系不是一成不变的，是可以随着工艺、技术、应用的变化而变化的，就比如在国标GB-T 17444-1998中上述的数字分别是1/10和10倍，但随着技术发展，对红外焦平面的质量也提出了新的要求，因此，在国标GB/T 17444-2013中将更多的像元定义为盲元。而分焦平面式红外偏振焦平面在偏振计算成像上需要与邻近像素进行关联的特点，提高了对盲元判断标准的要求，但分焦平面式红外偏振焦平面除了因为制造工艺更加复杂导致盲元更多外，还引入了一种表现与红外盲元有所区别，但亦对偏振计算产生严重影响的无效像元，这种无效像元在红外辐射响应中表现正常，但无法根据自己的检偏方向对不同方向的偏振光产生正确的响应，这种像元是检偏意义上的盲元，可以将其称为偏振盲元，对红外偏振焦平面的成像质量而言，偏振盲元的检测与补偿与红外盲元的同样重要，在这个过程中我们需要考虑到红外偏振焦平面相较与普通红外焦平面的特性，比如它的工艺特性、异构特性、偏振特性等，既需要对由这些特性所产生的问题加以解决，也可以利用这些特性所带来的优势来解决一些问题，从而减少盲元问题对红外偏振焦平面的应用造成的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，以解决现有盲元检测方法无法检测出红外偏振焦平面所特有的偏振盲元的问题。
本发明采用以下技术方案：一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，检测方法即为构建完全盲元表，检测方法包括以下内容：
构建红外盲元表；
构建偏振盲元表：计算红外偏振焦平面上每个像元消光比；设置阈值c，当消光比小于阈值c时，即判断对应像元为偏振盲元，并将偏振盲元表上对应的位置置1，逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的偏振盲元表；其中，通过统计红外偏振焦平面上像元消光比的分布，以3σ准则选择c值；
将红外盲元表与偏振盲元表进行或运算，即得到红外偏振焦平面的完全盲元表。
进一步的，计算红外偏振焦平面上每个像元消光比的方法为：
2.1、采集两个不同温度下、且偏振片角度分别为0°、45°、90°或135°时的图像共八组；
对同组内图像取平均，即得到平均后的高温图像H0、H45、H90、H135和低温图像L0、L45、L90、L135共八幅图；
将高温图像和低温图像对应相减，即H0-L0、H45-L45、H90-L90、H135-L135，得到四幅去除干扰后的图像I0、I45、I90和I135；
2.2、对图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向正交的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imin；
2.3、对图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向相同的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imax；
2.4、根据下式计算每个像元的像元消光比：
其中，i表示像元在焦平面上的行数，j表示像元在焦平面上的列数。
进一步的，构建红外盲元表的方法：
3.1、根据下式计算每个像元的增益校正系数：
其中，mean(Imax)为整个红外偏振焦平面上所有像元响应值的均值，Imax(i，j)为图像Imax上坐标为(i，j)的像元的响应值，g(i，j)为该像元的增益校正系数；
3.2、设置阈值a和b，ab＝1，a＜1为下阈值，b＞1为上阈值；
当g＜下阈值a、或者g＞阈值b时，则将红外盲元表上对应的位置置1，逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的红外盲元表。
进一步的，检测方法基于如下的实验装置：
同轴设置的面源黑体、偏振片和红外偏振相机，所述偏振片设置于电动转台上。
本发明的有益效果是：通过引入消光比这个偏振片的物理特性使得此方法能够在红外偏振焦平面上检测到传统盲元检测方法无法检测到的偏振盲元，同时通过引入增益校正系数，使得此方法可以通过后续的实时非均匀校正算法获得的实时变化的增益校正系数来实时地对盲元表进行更新，达到一个更优的盲元检测效果。
附图说明
图1是本发明一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法的流程图；
图2是本发明一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法的实验结构图和光路图；
图中，1.红外偏振相机，2.面源黑体，3.偏振片，4.红外光，5.线偏振光；
图3是本发明所涉及的红外偏振焦平面的超像素中的四个像素检偏方向的示意图；
图中，11.检偏方向为0°的像元，12.检偏方向为45°的像元，13.检偏方向为90°的像元，14.检偏方向为135°的像元；
图4为本发明所涉及的从图像I0、I45、I90、I135中提取像元响应值构造图像Imax的模式的示意图；
图5为本发明所涉及的从图像I0、I45、I90、I135中提取像元响应值构造图像Imin的模式的示意图；
图6为根据重构图像Imax和约束得到的红外偏振焦平面的红外盲元表；
图7为根据重构图像Imin、Imax和约束得到的红外偏振焦平面的偏振盲元表；
图8为根据红外盲元表和偏振盲元表得到的红外偏振焦平面的完全盲元表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，将高低温两个温度的面阵式黑体发射的均匀红外光经过外置的红外偏振片调制成0°、45°、90°、135°的均匀红外偏振光照射到红外偏振焦平面，并分别记录每个像元在各个温度与偏振角情况下的响应值，通过一定的计算得到每个像元的增益校正系数以及消光比，再通过本发明提出的判断方法，将红外盲元和偏振盲元与正常像元区分出来，分别制成盲元表，再将两张盲元表统合得到红外偏振焦平面的完全盲元表。如此，即可最大限度地将红外偏振焦平面上影响偏振计算成像的盲元排除，在对盲元进行适当的盲元补偿后，即可抑制盲元对偏振计算成像的影响，此外，通过将非均匀校正中的增益校正系数引入盲元检测，使得利用实时非均匀校正过程中不断变化的增益校正系数对盲元表进行实时更新成为可能。
如图1所示，所述检测方法即为构建盲元表的过程，所述检测方法具体包括构建红外盲元表nbl和构建偏振盲元表pbl。其中构建偏振盲元表的方法为：首先计算红外偏振焦平面上每个像元的消光比；设置一阈值c，当某个像元的消光比小于该阈值c时，即可判断该像元为偏振盲元，并在偏振盲元表上对应的位置处置1，否则对应位置置0；逐个判断每个像元是否为偏振盲元，从而建立红外偏振焦平面的偏振盲元表pbl。如图7所示，置1处为白色，置0处为黑色。
最后将红外盲元表与偏振盲元表进行或运算，即得到红外偏振焦平面的完全盲元表，cbl＝nbl|pbl，即可得到红外偏振焦平面的完全盲元表cbl，如图8。红外偏振焦平面的完全盲元表，可以通过较为简单的实验操作和较小的计算量，达到一个相当准确的盲元检测效果，不仅能在后续的非均匀校正中对盲元进行实时检测，最重要的是能够检测普通的盲元检测方法所无法检测到的红外偏振焦平面特有的偏振盲元。根据所得到的完全盲元表，再进行盲元补偿后，即可有效抑制红外盲元和偏振盲元对红外偏振焦平面成像效果的影响。
在一些实施例中，如图2所示，设置实验场景包括同轴设置的面源黑体2、偏振片3和红外偏振相机1，所述偏振片3设置于电动转台上。将偏振片装配到电动转台上，将电动转台放置在面源黑体前方，使得面源黑体的中心与偏振片的中心对准，在二者中心的连线的延长线上放置搭载红外偏振焦平面的红外偏振相机，使得经偏振片调制的均匀偏振光照射到红外偏振焦平面上。
在一些实施例中，计算红外偏振焦平面上每个像元消光比的方法具体为：
2.1、采集两个不同温度下、四种不同偏振片角度的图像共八组，具体的偏振片角度分别为0°、45°、90°或135°；每组图像包括各200帧；
对同组内200帧图像取平均以消除时域噪声的干扰，即得到平均后的高温图像H0、H45、H90、H135和低温图像L0、L45、L90、L135共八幅图，以此记录红外偏振焦平面上所有像元在不同方向偏振光照射下的响应。
将所述高温图像和所述低温图像对应相减，即H0-L0、H45-L45、H90-L90、H135-L135，以消除环境光、反射光等的干扰，得到四幅去除干扰后的图像I0、I45、I90和I135，代表了红外偏振焦平面上像元对经过不同方向偏振片调制后低温到高温之间的辐射增量的响应。
2.2、如图5所示，对所述图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向正交的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imin；
具体提取方法为：从0°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为90°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从45°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为135°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从90°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为0°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从135°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为45°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置。
2.3、如图4所示，对所述图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向相同的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imax；
具体提取方法为：从0°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为0°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从45°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为45°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从90°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为90°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置，从135°偏振光照射得到的图像中提取检偏方向为135°的所有像元的响应值放置在新图像的相同位置。
2.4、根据下式计算每个像元的像元消光比：
其中，i表示像元在焦平面上的行数，j表示像元在焦平面上的列数。
在一些实施例中，构建红外盲元表的方法：
3.1、根据下式计算每个像元的增益校正系数：
其中，mean(Imax)为整个红外偏振焦平面上所有像元响应值的均值，Imax(i,j)为图像Imax上坐标为(i，j)的像元的响应值，g(i，j)为该像元的增益校正系数；
3.2、设置阈值a和b，ab＝1，a＜1为下阈值，b＞1为上阈值，根据经验，n应小于1.5；当g＜下阈值a、或者g＞阈值b时，则将红外盲元表上对应的位置置1，否则对应位置置0；逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的红外盲元表nbl。如图6所示，置1处为白色，置0处为黑色。
由偏振片检偏的机理可知，偏振片通过按一定方向排布的微纳光栅对入射光进行检偏，所以微纳光栅加工的效果将极大的影响偏振片的检偏能力。红外偏振焦平面通过在每个像元前方沉积金属线栅形成微偏振片获得检偏能力，但由于直接在红外像元表面沉积微纳光栅的加工工艺尚存在一定瑕疵，所以可能产生个别微纳光栅检偏性能不达标、检偏方向错误等问题，使得红外偏振焦平面的个别像元检偏能力过于低下，甚至失去检偏特性或者与相同检偏通道的其他像元检偏方向有较大出入，从而使得在进行计算后续的偏振图像，在偏振图像上出现亮点或者暗点。为了更好的描述偏振盲元需要引入一种量化指标，透过率和消光比这两个参数都能在一定程度上表现微偏振片的检偏能力，而由于红外偏振焦平面采用沉积金属线栅的方式在像元表面生成微偏振片，故而无法直接得到特定像元上方的微偏振片的透过率，因此，在本发明中采用消光比这个参数描述特定像元对应的微偏振片的检偏能力。经由一定的加外置偏振片的黑体实验，可以得到红外偏振焦平面上每个像元的增益校正系数和与该像元对应的微偏振片的消光比，故而只要通过一定的检测标准就可以检测到红外偏振焦平面的红外盲元表和偏振盲元表，将两张盲元进行或运算即可得到完整的盲元表。
通过将引入消光比这个物理特性来描述偏振盲元，同时使用在非均匀校正领域的增益校正系数来描述红外盲元，通过一个较为简单的黑体实验采集得到实验数据，再将数据通过本发明提出的方法进行重构，可以计算得到每个像元的消光比和增益校正系数，从而可以得到偏振盲元的盲元表和红外盲元的盲元表，将两张盲元表进行或运算即可得到红外偏振焦平面的完全盲元表。本发明的创新点在于通过引入消光比这个偏振片的物理特性使得此方法能够在红外偏振焦平面上检测到传统盲元检测方法无法检测到的偏振盲元，同时通过引入增益校正系数，使得此方法可以通过后续的实时非均匀校正算法获得的实时变化的增益校正系数来实时地对盲元表进行更新，达到一个更优的盲元检测效果。
Claims (4)
1.一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，其特征在于，所述检测方法即为构建完全盲元表，所述检测方法包括以下内容：
构建红外盲元表；
构建偏振盲元表：计算红外偏振焦平面上每个像元消光比；设置阈值c，当消光比小于阈值c时，即判断对应像元为偏振盲元，并将偏振盲元表上对应的位置置1，逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的偏振盲元表；其中，通过统计红外偏振焦平面上像元消光比的分布，以3σ准则选择c值；
将红外盲元表与偏振盲元表进行或运算，即得到红外偏振焦平面的完全盲元表。
2.如权利要求1所述的一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，其特征在于，所述计算红外偏振焦平面上每个像元消光比的方法为：
2.1、采集两个不同温度下、且偏振片角度分别为0°、45°、90°或135°时的图像共八组；
对同组内图像取平均，即得到平均后的高温图像H0、H45、H90、H135和低温图像L0、L45、L90、L135共八幅图；
将所述高温图像和所述低温图像对应相减，即H0-L0、H45-L45、H90-L90、H135-L135，得到四幅去除干扰后的图像I0、I45、I90和I135；
2.2、对所述图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向正交的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imin；
2.3、对所述图像I0、I45、I90和I135，分别提取检偏方向与入射偏振光方向相同的像元，根据提取的全部像元的响应值构建图像Imax；
2.4、根据下式计算每个像元的像元消光比：
其中，i表示像元在焦平面上的行数，j表示像元在焦平面上的列数。
3.如权利要求2所述的一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，其特征在于，构建红外盲元表的方法：
3.1、根据下式计算每个像元的增益校正系数：
其中，mean(Imax)为整个红外偏振焦平面上所有像元响应值的均值，Imax(i，j)为图像Imax上坐标为(i，j)的像元的响应值，g(i，j)为该像元的增益校正系数；
3.2、设置阈值a和b，ab＝1，a＜1为下阈值，b＞1为上阈值；
当g＜下阈值a、或者g＞阈值b时，则将红外盲元表上对应的位置置1，逐个判断每个像元从而建立红外偏振焦平面的红外盲元表。
4.如权利要求1所述的一种适用于红外偏振焦平面的盲元检测方法，其特征在于，所述检测方法基于如下的实验装置：
同轴设置的面源黑体(2)、偏振片(3)和红外偏振相机(1)，所述偏振片(3)设置于电动转台上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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