紅外線陣探測(cè)器數(shù)字圖像校正的改進(jìn)

周娟 彭垚

摘要：傳統(tǒng)的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法可以解決紅外線陣探測(cè)器像元響應(yīng)率等的偏差。針對(duì)工程應(yīng)用中光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的孔徑光闌與紅外線陣探測(cè)器冷闌不匹配引入的雜散光現(xiàn)象，在傳統(tǒng)的基于紅外線陣探測(cè)器的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法基礎(chǔ)上， 將其擴(kuò)展為基于整幅數(shù)字圖像的面陣型非均勻校正方法。通過(guò)這一改進(jìn)， 光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)雜散光現(xiàn)象造成的數(shù)字圖像非均勻性得到改善，圖像質(zhì)量得以提高。

關(guān)鍵詞：紅外線陣探測(cè)器 圖像 非均勻性 校正

中圖分類(lèi)號(hào)：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）07-0061-02

近年來(lái)，紅外探測(cè)在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的使用。在軍事上廣泛應(yīng)用于搜索跟蹤、火力控制、制導(dǎo)和監(jiān)視等方面；在民用上主要用于測(cè)溫、成像、醫(yī)療診斷和防盜安全等方面。

紅外線陣探測(cè)器探測(cè)器采用掃描方式成像，受現(xiàn)有技術(shù)和工藝限制，探測(cè)器各像元之間響應(yīng)率存在一定的偏差， 這將導(dǎo)致輸出圖象呈現(xiàn)條紋分布，這種圖象的不一致性在紅外波段表現(xiàn)比較明顯， 故被稱(chēng)作紅外圖象的非均勻性。除探測(cè)器各像元響應(yīng)率偏差外，紅外圖象非均勻性還與光學(xué)系統(tǒng)、處理電路、工作時(shí)間、工作環(huán)境、目標(biāo)和背景溫度等因素有關(guān)。

在光電搜索跟蹤系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法可以很好地解決紅外線陣探測(cè)器像元響應(yīng)率偏差、處理電路偏差以及工作環(huán)境、目標(biāo)和背景的適應(yīng)性。但在工程應(yīng)用中，光電搜索跟蹤系統(tǒng)的孔徑光闌與紅外線陣探測(cè)器冷闌往往不能良好匹配，容易引入雜散光，采用傳統(tǒng)的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法很難解決這一問(wèn)題。

本文提出了一種改進(jìn)型的紅外線陣探測(cè)器非均勻校正方法，可以解決光電搜索跟蹤系統(tǒng)的非均勻性問(wèn)題，提高成像質(zhì)量。

1 非均勻性校正算法

目前國(guó)內(nèi)外的非均勻性校正算法可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于定標(biāo)的校正算法， 包括常用的一點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正、多點(diǎn)分段線性校正等。這種方法原理簡(jiǎn)潔、校正精度高、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)現(xiàn)和集成， 被普遍采用。

另一類(lèi)是基于場(chǎng)景的自適應(yīng)校正算法， 這種方法能夠根據(jù)場(chǎng)景信息對(duì)校正的增益和偏置系數(shù)及時(shí)進(jìn)行修正和更新，在一定程度上可以克服探測(cè)器像元響應(yīng)隨時(shí)間和環(huán)境溫度等因素的改變帶來(lái)的校正誤差。

但是基于場(chǎng)景的算法需要存儲(chǔ)先前的圖象， 且計(jì)算的復(fù)雜性增加， 實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。因此，目前應(yīng)用較多的仍是兩點(diǎn)法和在此基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的多點(diǎn)分段非均勻性校正法。

1.1 兩點(diǎn)溫度定標(biāo)校正法原理

兩點(diǎn)定標(biāo)校正算法是建立在探測(cè)器像元特性為線性定常的前提下的， 外界輻射與焦平面各像元輸出之間呈線性關(guān)系：

（1）

式（1）中為像元輸出的電信號(hào)，為像元的響應(yīng)率，為入射紅外輻射，為像元的偏置。

圖1為兩點(diǎn)定標(biāo)校正算法的原理示意圖，橫坐標(biāo)表示入射到探測(cè)器上的紅外輻射，縱坐標(biāo)為輸出的電信號(hào)。直線1和直線3分別代表探測(cè)器兩個(gè)像元的響應(yīng)特性，直線2為所有探測(cè)器像元校正后的響應(yīng)特性。兩點(diǎn)定標(biāo)校正算法就是將所有探測(cè)器單元的響應(yīng)特性曲線變換為同一條響應(yīng)特性曲線。它的物理意義在于：在均勻的輻射輸人情況下，在完成針對(duì)各個(gè)像元的響應(yīng)率和偏置校正之后，探測(cè)器各像元的輸出電信號(hào)相同，從而消除了紅外圖象的非均勻性噪聲。

校正的具體方法為：實(shí)驗(yàn)室黑體溫度分別在兩個(gè)標(biāo)定溫度點(diǎn)T1和T2時(shí)， 獲得兩組紅外焦平面原始數(shù)據(jù)，和，兩個(gè)校正后的輸出為和。其中表示焦平面中各像元，則有：

（2）

通過(guò)式（2）計(jì)算得到校正的增益和偏置系數(shù)，其結(jié)果如式（3）所示：

（3）

式（3）中關(guān)鍵是和的確定。由于它要反映所有像元對(duì)一定輻射的一致響應(yīng)值，所以一種比較常用的做法是取在該溫度下，所有像元輻射響應(yīng)輸出的平均值，即：

（4）

式（4）中，n為探測(cè)器像元的個(gè)數(shù)

當(dāng)紅外線陣探測(cè)器接收到實(shí)際目標(biāo)場(chǎng)景輻照度時(shí)，利用以上所得到的各探測(cè)器像元的相應(yīng)校正值對(duì)其輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，如（5）式：

（5）

式（5）中，為實(shí)驗(yàn)室得到的線陣探測(cè)器第個(gè)像元的增益，為第個(gè)像元的實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)，為探測(cè)器第個(gè)像元的偏置，為第個(gè)像元的校正后的輸出信號(hào)。

1.2 校正算法分析

兩點(diǎn)定標(biāo)校正算法對(duì)偏置進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)對(duì)增益系數(shù)也作出了校正， 其校正具有一定的動(dòng)態(tài)范圍， 在兩個(gè)定標(biāo)點(diǎn)之間校正效果良好。兩點(diǎn)校正算法除需要定標(biāo)以外， 對(duì)景像的內(nèi)容沒(méi)有任何要求， 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小， 便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際應(yīng)用中， 各探測(cè)器像元的響應(yīng)通常呈非線性， 加上系統(tǒng)噪聲和時(shí)間漂移等因素，尤其在輻照度變化范圍較大時(shí)， 其線性度更差。因此， 實(shí)際工程應(yīng)用中， 校正方法必須作適當(dāng)改進(jìn)。

2 光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)成像分析

在軍事上，光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)通常采用制冷型紅外線陣探測(cè)器。空間紅外信號(hào)經(jīng)掃描后通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在探測(cè)器焦平面上，焦平面上的感光像元將紅外光換轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)A/D采樣變換成數(shù)字信號(hào)送信號(hào)處理電路進(jìn)行非均勻性校正、消瞎元等處理后，一路以模擬視頻方式輸出顯示，一路以數(shù)字視頻方式送后級(jí)圖像處理板進(jìn)行處理。

制冷型紅外系統(tǒng)100%的冷光闌效率是光學(xué)設(shè)計(jì)中需要努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，即要保證系統(tǒng)的孔徑光闌與探測(cè)器的冷闌匹配，使探測(cè)器只能看到物空間，避免雜散光進(jìn)入探測(cè)器。

在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者將系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置在探測(cè)器冷闌處，理論上保證了100%冷闌效率。但在工程實(shí)際中，由于調(diào)焦、光學(xué)裝調(diào)以及光學(xué)、機(jī)械公差累積等因素使系統(tǒng)的孔徑光闌與探測(cè)器冷闌不能完全匹配，致使系統(tǒng)內(nèi)部的一些輻射（雜散光）照射到探測(cè)器的焦平面上，在四周區(qū)域形成一個(gè)“亮框”，成為固定的圖像干擾，傳統(tǒng)的基于線陣探測(cè)器的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法無(wú)法解決這一問(wèn)題。

圖2為均勻背景條件下光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)使用改進(jìn)前的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正算法后的輸出圖像畫(huà)面，存在“亮框”現(xiàn)象。

3 改進(jìn)型算法

針對(duì)光電紅外搜索跟蹤系統(tǒng)成像這一“亮框”問(wèn)題造成的圖像不均勻，本質(zhì)上應(yīng)從光學(xué)系統(tǒng)方面來(lái)著手解決。但由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工及生產(chǎn)周期長(zhǎng)且成本高、裝調(diào)復(fù)雜，所以可以通過(guò)設(shè)計(jì)采用一種新型的非均勻校正方法從軟件方面著手來(lái)解決這一問(wèn)題。

由于系統(tǒng)“亮框”現(xiàn)象是固定的圖像干擾，所以可以將目前的基于線陣探測(cè)器的兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正方法擴(kuò)展為基于整幅圖像的面陣非均勻校正方法。其基本原理是：利用兩點(diǎn)定標(biāo)非均勻校正方法得到探測(cè)器各像元的增益后，在均勻背景條件下對(duì)多幀圖像原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按點(diǎn)進(jìn)行累加后求平均從而得到圖像每個(gè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)平均值，則有：

（6）

式（6）中，為上一幅圖像所有原始數(shù)據(jù)的平均值，為實(shí)驗(yàn)室黑體溫度分別為T(mén)1和T2時(shí)測(cè)量得到的線陣探測(cè)器各像元的增益，則為面陣非均勻校正方法下得到的基于圖像每個(gè)點(diǎn)的增益（其中，i為紅外線陣探測(cè)器的像元個(gè)數(shù)，n為圖像數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)）。

當(dāng)紅外線陣探測(cè)器接收到實(shí)際目標(biāo)場(chǎng)景輻照度時(shí)，利用公式（6）所得到的圖像每個(gè)點(diǎn)的增益對(duì)其輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，如（7）式：

（7）

式（7）中，為圖像第個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)響應(yīng)信號(hào)，為圖像第個(gè)點(diǎn)的校正后的輸出信號(hào)。

經(jīng)過(guò)以上面陣非均勻校正算法處理后，系統(tǒng)圖像雜散光這一問(wèn)題在圖像校正階段通過(guò)對(duì)偏置系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償后，將“亮框”現(xiàn)象消除。

圖3為均勻背景條件下系統(tǒng)使用改進(jìn)后的面陣非均勻校正算法后的輸出圖像畫(huà)面，“亮框”現(xiàn)象消除，圖像均勻性得到改善。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外線陣探測(cè)器是光電搜索跟蹤系統(tǒng)的核心組件之一，其主要功能是采集空間紅外信息，經(jīng)過(guò)非均勻校正等處理后輸出可供后級(jí)處理的紅外圖像，其圖像質(zhì)量的好壞直接影響后級(jí)圖像處理組件對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力，直接影響光電搜索跟蹤系統(tǒng)的探測(cè)和跟蹤性能。

本文中提出了一種針對(duì)光電搜索跟蹤系統(tǒng)使用紅外線陣探測(cè)器的改進(jìn)型非均勻校正算法， 并且在現(xiàn)有光電雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行了圖象校正試驗(yàn)， 取得了良好的試驗(yàn)效果，成功地解決了工程應(yīng)用中光電雷達(dá)系統(tǒng)的孔徑光闌與紅外線陣探測(cè)器冷闌不匹配造成的雜散光現(xiàn)象，使圖像非均勻性得到改善，圖像質(zhì)量得以提高。

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