一種基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法。該方法在基于變形透鏡實時校正的基礎上加以創(chuàng)新，設計并運用具有不同遮擋效果的斬波器代替原有變形鏡的校正技術；同時提出斬波校正技術的解決方法，解決紅外圖像積分信號與斬波步進、轉動周期之間的同步關系問題；解決由于紅外探測器的體積非常小，不可能安裝光電測角定位碼盤，因此需要解決高溫圖像自動判別、背景圖像自動判別、低溫圖像自動判別、半遮擋自動判別等問題，從而實現(xiàn)基于斬波的圖像非均勻性校正。
【專利說明】一種基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于紅外焦平面探測器【技術領域】，具體涉及一種基于斬波器的紅外圖像非 均勻性校正方法。
【背景技術】
[0002] 紅外焦平面陣列IRFPA(Infrared Focal Plane Array)由于探測兀自身或探 測元之間響應的非均勻性及不穩(wěn)定性等問題存在，使得探測器陣列存在著固定模式噪聲 FPN(Fixed Pattern Noise)，是限制成像質量提高的主要因素之一。因此IRFPA的非均勻 校正NUC(Non_Uniformity Correction)問題成為當今國內外研究的熱點技術。
[0003] 通常，紅外熱像儀大多通過輻射參考源進行標定，校正系數(shù)在探測器正常工作時 讀出，實時對輸入圖像進行非均勻校正。然而由于FPN隨時間緩慢變化，探測器工作一段時 間后，校正殘差會逐漸加重。
[0004] 針對以上諸多問題國外正在探討在探測器前加裝變形鏡，通過改變成像光路聚散 焦的方式交替產生不同溫度表征的圖像序列，并以此作為圖像校正參考源的方法。加裝變 形鏡的方法的提出拓展了非均勻性校正新的【技術領域】，通過透鏡的變化產生各種聚散焦圖 像用以圖像實時校正，應用此方法探測器響應瞬時漂移帶來的噪聲可以得到實時消除，但 由于聚散焦圖像本身含有的圖像信息相差不大，只是在清晰度上有所差別，所以將此類圖 像作為參考源會在圖像對消時造成場景信息被削弱的現(xiàn)象，如果考慮補償圖像的背景有用 信息，還需要額外加入定標參考源，給此項技術的實踐應用帶來諸多不便。
【發(fā)明內容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明擬解決的技術問題是：提供了一種基于斬波器的紅 外圖像非均勻性校正方法。該方法在基于變形透鏡實時校正的基礎上加以創(chuàng)新，設計并運 用具有不同遮擋效果的斬波器代替原有變形鏡的校正技術；同時提出斬波校正技術的解決 方法，解決紅外圖像積分信號與斬波步進、轉動周期之間的同步關系問題；解決由于紅外探 測器的體積非常小，不可能安裝光電測角定位碼盤，因此需要解決高溫圖像自動判別、背景 圖像自動判別、低溫圖像自動判別、半遮擋自動判別等問題，從而實現(xiàn)基于斬波的圖像非均 勻性校正。
[0006] 本發(fā)明解決所述技術問題的技術解決方案是：提出一種基于斬波器的紅外圖像非 均勻性校正方法，該方法的技術方案步驟如下：
[0007] 步驟一、設計具有雙溫度特性斬波器的結構方案：
[0008] 雙溫度特性的斬波器主要包括連接件、灰體遮擋片、漫反射遮擋片；其中連接件與 灰體遮擋片和漫反射遮擋片連接，帶動灰體遮擋片和漫反射遮擋片轉動，灰體遮擋片用于 反射輻射源的熱輻射，形成校正參考源；漫反射遮擋片用于反射輻射源的冷輻射，構成單點 校正的補償參考源；
[0009] 步驟二、建立識別斬波遮擋圖像的數(shù)學分析模型：
[0010] 斬波器轉動過程中各類斬波圖像產生的時間相對固定，構建斬波器完全遮擋成像 孔徑的狀態(tài)模型，便可類推到其他狀態(tài)模型，由此將斬波器定位檢測的工程問題轉化為用 方程求解的數(shù)學分析問題；
[0011] 在斬波器轉動一周的時間內，針對所有可能出現(xiàn)的初始位置情況，每一種初始位 置出現(xiàn)的完全遮擋狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)記為k，找到完全遮擋狀態(tài)出現(xiàn)的最少次數(shù)N，這樣才能 保證積分信號的確定發(fā)送方式下對于任意初始位置條件幀周期都能處于完全遮擋時間內； 基于數(shù)據分析模型，上述問題便可以轉化為在斬波器所有可能初始位置中找到k的最少可 取值數(shù)N;
[0012] 步驟三、設計紅外探測器、紅外成像器與斬波器的步進脈沖周期之間的同步控制 算法：
[0013] 系統(tǒng)向紅外探測器發(fā)送積分信號，紅外成像器會在積分信號時長內采集圖像，然 后由紅外探測器向系統(tǒng)發(fā)送圖像信號，發(fā)送積分信號的間隔為T，圖像的幀周期也為T，斬 波器的步進脈沖周期為T/N ;在遮擋圖像檢測階段，斬波器轉動一周內如果出現(xiàn)N次完全遮 擋狀態(tài)，則系統(tǒng)向斬波器的步進電機需要發(fā)送N種相位對應的積分信號與脈沖信號；
[0014] 步驟四、提出斬波遮擋圖像的多積分相位搜索定位流程：
[0015] 根據各測量值計算數(shù)學模型確定k的最少可取值數(shù)N ;變換積分相位發(fā)送積分和 電機脈沖信號；斬波器轉動一周內接收到的圖像序列逐幀地進行所有像素點的求和運算， 統(tǒng)計出和值最小的一幀圖像，記錄此圖像幀號；在發(fā)送N種相位對應同步積分信號后，得到 N個最小值并在這些值中找出和值最小的一幅圖像，即得到確定的漫反射完全遮擋圖像， 同時記錄周號和幀號，以此幀號確定與漫反射圖像位置對應的完全遮擋灰體圖像和光路圖 像，以此周號確定校正工作狀態(tài)下的積分信號相位，發(fā)送最終確定相位的積分信號開始圖 像的非均勻校正工作；
[0016] 步驟五、設計基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正流程：
[0017] 固定圖像噪聲的低頻部分可以通過成像光路圖像與灰體遮擋圖像求和之后生成 的帶通差分圖像得到校正，固定圖像噪聲的高頻部分可由成像光路圖像與漫反射遮擋圖像 生成的差分圖像經過單點校正和二維低通數(shù)字濾波得到處理，之后固定圖像噪聲的低頻部 分與固定圖像噪聲的高頻部分求和，得到非均勻性校正圖像，從而完成整個校正過程。
[0018] 所述步驟三采用5個灰體遮擋片和1個漫反射遮擋片。
[0019] 所述步驟一的漫反射遮擋片是扇形結構，表面是鍍銅合金。
[0020] 所述步驟一的灰體遮擋片是扇形結構，表面涂覆碳化硅材料。
[0021] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果為：
[0022] ①本發(fā)明定性的分析了基于旋轉斬波器的圖像檢測定位機理，定量的剖析了斬波 器的工作狀態(tài)，提出一種可用于實際應用的數(shù)學模型，并提出給予一定約束條件下的求解 方式，確定設計方法的有效性和可靠性。
[0023] ②針對以往通過黑體輻射源遮擋現(xiàn)場或鏡頭蓋遮蔽鏡頭等方式處理圖像單點非 均勻校正在實際應用中難以實施的問題，提出了基于斬波器架構的非均勻校正，其特點是 可自動實時進行單點非均勻性校正，不依賴手動移入移出的外部參考源。
[0024] ③本發(fā)明在非均勻校正算法上也不是簡單的采取幀差法來更新系數(shù)，而是采用不 同程度的差分圖像對非均勻噪聲的不同頻段作不同校正處理，并對場景的低頻信息有所補 償。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的斬波器結 構示意圖（1-漫反射遮擋片、2_灰體遮擋片）；
[0026] 圖2是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的斬波器在 初始位置時完全遮擋成像孔徑的狀態(tài)示意圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的斬波器轉 動時遮擋成像孔徑的狀態(tài)示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的斬波器定 位狀態(tài)示意圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的基于斬波 器的多積分相位搜索定位流程圖；
[0030] 圖6是本發(fā)明基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法一個實施例的基于斬波 器的紅外圖像非均勻性校正流程。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖對本發(fā)明的實例例進行說明，此處所描述的實施例僅用于說明和解 釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0032] 本發(fā)明一種基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法，具體的實施步驟如下：
[0033] 步驟一、設計具有雙溫度特性斬波器遮擋片的結構方案：
[0034] 雙溫度特性的斬波器（參見圖1)主要包括連接件3、灰體遮擋片2、漫反射遮擋片 1 ;其中連接件3與灰體遮擋片2和漫反射遮擋片1連接，帶動灰體遮擋片2和漫反射遮擋 片1轉動，灰體遮擋片2是扇形結構，表面涂覆碳化硅材料，用于反射輻射源的熱輻射，形成 校正參考源；漫反射遮擋片1是扇形結構，表面是鍍銅合金，用于反射輻射源的冷輻射，構 成單點校正的補償參考源。由于遮擋片成像與原有場景圖像只在噪聲特性方面比較類似， 所以當兩種圖像差分對消時可以最大程度的保留圖像的固有信息，并且能夠一定程度地消 除部分殘留的1?頻噪聲。
[0035] 步驟二、建立識別斬波遮擋圖像的數(shù)學分析模型：
[0036] 由于斬波器轉動過程中各類斬波圖像產生的時間相對固定，所以只需要分析出一 種圖像的遮擋狀態(tài)便可類推到其他狀態(tài)模型。由于斬波遮擋片設計構造的特殊性，構建斬 波器完全遮擋成像孔徑的狀態(tài)模型，將斬波器定位檢測的工程問題轉化為可以方程求解的 數(shù)學分析問題。
[0037] 以斬波器初始位置完全遮擋成像孔徑狀態(tài)的示意圖（參見圖2)為例，其中直線d 表示斬波器中心原點與成像孔徑中心之間的距離，r為成像孔徑的半徑，以上兩個參量需要 預先測量以便確定直線1，即完全遮擋成像孔徑的最小距離，而直線m和η分別表示直線1 與成像孔徑切點處到遮擋片上下兩個邊緣處的距離，這三個參量是直接判斷斬波器是否處 于完全遮擋狀態(tài)的重要依據。同時遮擋片的扇面角度和邊寬也需要進行測量，三條邊的長 度分別記為X，X，2xsin α /2,用于計算直線m和η在斬波器不同轉動位置時對應的長度。
[0038] 如果要確定斬波器處于完全遮擋狀態(tài)，需要同時滿足兩個條件：
【權利要求】
1. 一種基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、設計具有雙溫度特性斬波器的結構方案： 雙溫度特性的斬波器主要包括連接件、灰體遮擋片、漫反射遮擋片；其中連接件與灰體 遮擋片和漫反射遮擋片連接，帶動灰體遮擋片和漫反射遮擋片轉動；灰體遮擋片用于反射 輻射源的熱輻射，形成校正參考源；漫反射遮擋片用于反射輻射源的冷輻射，構成單點校正 的補償參考源； 步驟二、建立識別斬波遮擋圖像的數(shù)學分析模型： 斬波器轉動過程中各類斬波圖像產生的時間相對固定，構建斬波器完全遮擋成像孔徑 的狀態(tài)模型，便可類推到其他狀態(tài)模型，由此將斬波器定位檢測的工程問題轉化為用方程 求解的數(shù)學分析問題； 在斬波器轉動一周的時間內，針對所有可能出現(xiàn)的初始位置情況，每一種初始位置出 現(xiàn)的完全遮擋狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)記為k，找到完全遮擋狀態(tài)出現(xiàn)的最少次數(shù)N，這樣才能保證 積分信號的確定發(fā)送方式下對于任意初始位置條件幀周期都能處于完全遮擋時間內；基于 數(shù)據分析模型，上述問題便可以轉化為在斬波器所有可能初始位置中找到k的最少可取值 數(shù)N ; 步驟三、設計紅外探測器、紅外成像器與斬波器的步進脈沖周期之間的同步控制算 法： 系統(tǒng)向紅外探測器發(fā)送積分信號，紅外成像器會在積分信號時長內采集圖像，然后由 紅外探測器向系統(tǒng)發(fā)送圖像信號，發(fā)送積分信號的間隔為T，圖像的幀周期也為T，斬波器 的步進脈沖周期為T/N ;在遮擋圖像檢測階段，斬波器轉動一周內如果出現(xiàn)N次完全遮擋狀 態(tài)，則系統(tǒng)向斬波器的步進電機需要發(fā)送N種相位對應的積分信號與脈沖信號； 步驟四、提出斬波遮擋圖像的多積分相位搜索定位流程： 根據各測量值計算數(shù)學模型確定k的最少可取值數(shù)N ;變換積分相位發(fā)送積分和電機 脈沖信號；斬波器轉動一周內接收到的圖像序列逐幀地進行所有像素點的求和運算，統(tǒng)計 出和值最小的一幀圖像，記錄此圖像幀號；在發(fā)送N種相位對應同步積分信號后，得到N個 最小值并在這些值中找出和值最小的一幅圖像，即得到確定的漫反射完全遮擋圖像，同時 記錄周號和幀號，以此幀號確定與漫反射圖像位置對應的完全遮擋灰體圖像和光路圖像， 以此周號確定校正工作狀態(tài)下的積分信號相位，發(fā)送最終確定相位的積分信號開始圖像的 非均勻校正工作； 步驟五、設計基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正流程： 固定圖像噪聲的低頻部分可以通過成像光路圖像與灰體遮擋圖像求和之后生成的帶 通差分圖像得到校正，固定圖像噪聲的高頻部分可由成像光路圖像與漫反射遮擋圖像生成 的差分圖像經過單點校正和二維低通數(shù)字濾波得到處理，之后固定圖像噪聲的低頻部分與 固定圖像噪聲的高頻部分求和，得到非均勻性校正圖像，從而完成整個校正過程。
2. 根據權利要求1所述的基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法，其特征在于所述 步驟一的灰體遮擋片是扇形結構，表面涂覆碳化硅材料。
3. 根據權利要求1所述的基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法，其特征在于所述 步驟一的漫反射遮擋片是扇形結構，表面是鍍銅合金。
4. 根據權利要求1所述的基于斬波器的紅外圖像非均勻性校正方法，其特征在于所述 步驟三采用5個灰體遮擋片和1個漫反射遮擋片。
【文檔編號】G01J5/00GK104111118SQ201410368130
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2014年7月29日
【發(fā)明者】楊碩, 周津, 楊陽 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五七研究所
專業(yè)數(shù)控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
