基于雙參考輻射源的盲元檢測和補(bǔ)償算法

基于雙參考輻射源的盲元檢測和補(bǔ)償算法

0成像階段的盲元檢測與補(bǔ)償紅外焦耳三維陣列（irfpa）技術(shù)的快速開發(fā)極大地促進(jìn)了紅外成像系統(tǒng)在更廣泛的應(yīng)用的普及。然而，由于制造技術(shù)的影響、材料等因素，ivfpa設(shè)備不可避免地存在著盲元素、不均勻等問題，這大大降低了紅外成像系統(tǒng)輸出圖像的信噪比。盲元素的數(shù)量及其分布對設(shè)備的性能有重大影響。如果盲元素過多，在未處理的紅外圖像輸出圖像中會(huì)出現(xiàn)大量的亮點(diǎn)和黑暗點(diǎn)，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此，在成像步驟中，需要對粗體蒙太奇進(jìn)行識別和補(bǔ)償，以提高紅外成像系統(tǒng)的性能。從目前的研究文獻(xiàn)來看，國外關(guān)于盲元素的檢測和補(bǔ)償?shù)膱?bào)道很少，但檢測原理沒有具體而詳細(xì)的討論。報(bào)告的盲源補(bǔ)償算法基本上包括線性插值法、相鄰圖像源替換法和中值濾波法。中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對齊盲元的系統(tǒng)，但很少有盲元補(bǔ)償。人們的理解尚未得到更好的解決。本文在分析盲元特性的基礎(chǔ)上,在成像階段采用數(shù)字信號處理技術(shù),提出了一種基于雙參考源的盲元自動(dòng)檢測和補(bǔ)償?shù)男滤惴?它具有對盲元查找快速、定位準(zhǔn)確、補(bǔ)償效果好及易于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),經(jīng)實(shí)際的IRFPA成像實(shí)驗(yàn),結(jié)果證明了該算法的有效性和實(shí)用性.1愛福帕檢測和補(bǔ)償算法1.1盲元定義1.1.1定動(dòng)態(tài)范圍條件下,像元的輻照響應(yīng)電壓計(jì)算假設(shè)探測器為M×N的紅外焦平面陣列.像元響應(yīng)率R(i,j)為IRFPA在一定幀周期和一定動(dòng)態(tài)范圍條件下,像元對每單位輻照功率產(chǎn)生的輸出信號電壓R(i,j)=Vs(i,j)P(1)R(i,j)=Vs(i,j)Ρ(1)式中i=1～M,j=1～N,Vs(i,j)為第(i,j)像元對應(yīng)于輻照功率P的響應(yīng)電壓,P為第(i,j)像元所接收的輻照功率.1.1.2積極性檢驗(yàn)mIRFPA各有效像元響應(yīng)率的平均值Rˉˉˉ=1M×N?(d+h)∑i=1M∑j=1NR(i,j)(2)Rˉ=1Μ×Ν-(d+h)∑i=1Μ∑j=1ΝR(i,j)(2)式中M和N分別是IRFPA像元的行數(shù)和列數(shù);d和h分別是死像元數(shù)和過熱像元數(shù).實(shí)際測量中,d和h是經(jīng)多次迭代計(jì)算得到.1.1.3像元的像元盲元包括死像元和過熱像元.死像元指像元響應(yīng)率小于平均響應(yīng)率的1/10的像元;而過熱像元就是像元噪聲電壓大于平均噪聲電壓10倍的像元.以上盲元的定義是按IRFPA器件對黑體輻射的響應(yīng)程度作為量化指標(biāo)的,它是基于實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果的公式.1.2基于兩端參考輻射源的盲元自動(dòng)檢測技術(shù)IRFPA中的盲元與正常探測單元在響應(yīng)特性上有很大差異.正常探測單元的溫度響應(yīng)特性曲線在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)是線性的,如圖1中的曲線2;而盲元的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)離正常的探測單元的動(dòng)態(tài)范圍,盲元的溫度響應(yīng)特性曲線多為非線性的,并且變化斜率偏高或者偏低,對兩個(gè)不同溫度的響應(yīng)其兩點(diǎn)差值偏離正常的探測單元的兩點(diǎn)差值,如圖1中的曲線1和曲線3.針對盲元響應(yīng)特性的這一特點(diǎn),本文提出了一種基于兩點(diǎn)參考輻射源的盲元自動(dòng)檢測技術(shù).雙參考輻射源法的原理是:采用兩個(gè)具有不同溫度的黑體參考源均勻照射IRFPA,得到兩組不同的響應(yīng)數(shù)據(jù),根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)計(jì)算并判斷出IRFPA中的盲元位置.具體的操作過程如下:1)用一低溫的均勻輻射源φ1照射IRFPA各探測單元,記錄每一探測單元的響應(yīng)Vi,j(φ1),并存儲(chǔ)起來;2)再用一高溫的均勻輻射源φ2照射IRFPA各探測單元,記錄每一探測單元的響應(yīng)Vi,j(φ2),并存儲(chǔ)起來;3)將這兩組數(shù)據(jù)的差值ΔVi,j=Vi,j(φ2)-Vi,j(φ1)(3)與預(yù)設(shè)的比較門限值δ作比較.如果ΔVi,j≥δ,則認(rèn)為該像(i,j)元為正常像元;如果ΔVi,j<δ,則該判斷該(i,j)像元為盲元.δ的選定對整個(gè)盲元的檢測非常關(guān)鍵.從理論上說,由IRFPA成像的數(shù)學(xué)模型可得到溫度差值為ΔT條件下的紅外響應(yīng)灰度差值δ,即可將此值定為比較門限值.但是由于該數(shù)學(xué)模型涉及模擬和數(shù)字電路,模型的建立較復(fù)雜,且應(yīng)用的價(jià)值不大.在實(shí)際應(yīng)用中一般采用經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定δ,即根據(jù)各單元對雙參考源的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù)及盲元定義的臨界值進(jìn)行有限次的迭代修正以確定δ.1.3東北部內(nèi)插盲元補(bǔ)償算法盲元補(bǔ)償是采用盲元周圍的有效圖像信息或前后幀的圖像信息對盲元位置的信息進(jìn)行預(yù)測和替代的過程.紅外成像系統(tǒng)主要是對景物的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,由圖像信息理論可知,其相鄰兩點(diǎn)或兩幀之間的圖像數(shù)據(jù)具有極高的相關(guān)性.根據(jù)插值理論,對于連續(xù)變化的函數(shù),可以采用一點(diǎn)的前后兩點(diǎn)或多點(diǎn)對該點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行插值預(yù)測.由此,本文提出了場內(nèi)行列間內(nèi)插的盲元補(bǔ)償算法.場內(nèi)行列間內(nèi)插的盲元補(bǔ)償算法是利用同場相鄰行列的相關(guān)性,采用2點(diǎn)、4點(diǎn)、8點(diǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插,但隨著內(nèi)插點(diǎn)數(shù)的增加,實(shí)現(xiàn)算法的計(jì)算量將成倍地增加.本文根據(jù)實(shí)際需要,選用了相鄰4點(diǎn)數(shù)據(jù)完成對盲元的加權(quán)插值補(bǔ)償.算法設(shè)計(jì)要點(diǎn):12相鄰插值點(diǎn)的選擇2多個(gè)相鄰點(diǎn)之間的關(guān)系P(i,j)=k×P(i-1,j)+l×P(i,j-1)+m×P(i,j+1)+n×P(i+1,j)(4)認(rèn)為它們對中間點(diǎn)的信息貢獻(xiàn)相等,則選取k=l=m=n=1/4.如果某個(gè)相鄰點(diǎn)本身就是盲元,例如P(i-1,j)為盲元,則P(i,j)=k×P(i-2,j)+l×P(i,j-1)+m×P(i,j+1)+n×P(i+1,j)(5)選取k=1/8,l=m=1/4,n=3/8.其他情形,以此類推.在此選擇除數(shù)為2的次冪,是為了易于硬件算法實(shí)現(xiàn).2其他圖像的成像質(zhì)量利用128×128IRFPA像機(jī)樣機(jī)對均勻背景進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2.圖2(a)是沒有經(jīng)過盲元補(bǔ)償?shù)脑紙D像,存在很多過亮點(diǎn)和過暗點(diǎn),還有很明顯的一條亮線和幾條暗線,這都是由于盲元所造成的,嚴(yán)重降低了成像的質(zhì)量.圖2(b)是圖2(a)經(jīng)過盲元補(bǔ)償后的成像圖像,可以看到圖像的像質(zhì)得到了顯著的改善,驗(yàn)證了本算法對提高IRFPA成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量是行之有效的.需要說明的是,在圖像的右上角有一整塊的盲元區(qū),對于盲元塊,是無法有效地消除的.實(shí)際上在一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,合格的焦平面陣列器件產(chǎn)品是不允許出現(xiàn)連續(xù)的盲元的.3irfpa成像技術(shù)的特點(diǎn)本文提出了一種基于雙參考輻射源的盲元自動(dòng)檢測技術(shù),在成像階段采用數(shù)字信號處理技術(shù),對焦平面陣列中的盲元進(jìn)行插值補(bǔ)償,使成像圖像變得平滑,有效地改善了圖像質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法具有盲元查找快速、定位準(zhǔn)確率高、校正效果好及易于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),是一項(xiàng)實(shí)用價(jià)值很高的IRFPA成像處理技術(shù).如果盲元點(diǎn)P(i,j)的相鄰點(diǎn)P(i-1,j)、P(i,j-1)、P(i,j+1)和P(i+1,j)不是盲元,則用P(i-1,j)、P(i,j-1)、P(i,j