專利名稱：基于積分時間調(diào)整的紅外焦平面陣列盲元檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號探測處理技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于紅外焦平面陣列盲元檢測及補償方法。
背景技術(shù)：
紅外焦平面陣列成像系統(tǒng)由于具有靈敏度高，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，作用距離遠、抗干擾性好、穿透煙霧能力強、可全天候、全天時工作等優(yōu)點，已成為紅外成像技術(shù)發(fā)展的趨勢，而凝視型紅外焦平面陣列已成為未來紅外熱成像系統(tǒng)發(fā)展的主流探測器件。但由于受材料和加工工藝等技術(shù)的影響，紅外焦平面陣列(IRFPA)各探測單元之間普遍存在響應(yīng)的差異性，當外界熱輻射發(fā)生變化時，某一探測單元的響應(yīng)輸出不變或變化緩慢，即形成無效像元(簡稱盲元)。因盲元的存在導致紅外圖像出現(xiàn)黑斑和白斑，嚴重影響紅外圖像的視覺效果。目前通過改進制造工藝水平來消除盲元，投資巨大并且收效甚微，如果能夠通過調(diào)整入射的熱輻射量來計算各個探測單元的響應(yīng)率，進而分辨出盲元，并利用現(xiàn)代信號處理技術(shù)補償盲元以提高IRFPA的成像質(zhì)量，將具有實際理論意義和應(yīng)用價值。紅外焦平面陣列在一定幀周期和一定動態(tài)范圍內(nèi)，像元對每單位輻照功率響應(yīng)輸出的信號電壓，稱為像元響應(yīng)率。IRFPA各有效像元響應(yīng)率的平均值，稱為平均響應(yīng)率。由于焦平面陣列本身的缺陷使部分陣列元響應(yīng)率過高或過低，此響應(yīng)率過高或過低的像元通常稱為盲元，包括死像元和過熱像元。按照國標GB/TI7444-1998《紅外焦平面驗收測試技術(shù)標準》中規(guī)定，過熱像元是指響應(yīng)率超過平均響應(yīng)率10倍的像元，死像元是指響應(yīng)率低于平均響應(yīng)率1/10的像元，其中平均響應(yīng)率為有效像元的平均響應(yīng)率。盲元處理包括兩個方面一是盲元檢測；二是盲元補償。對盲元的補償，通常利用現(xiàn)代信號處理手段來進行；而盲元檢測是盲元補償?shù)那疤岷突A(chǔ)，如果檢測方法不當， 會造成盲元漏檢和有效像元被盲化的現(xiàn)象，這將引入額外的圖像噪聲。因此，研究有效的盲元檢測方法是促進IRFPA推廣和應(yīng)用的重要性環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外已出現(xiàn)多種多樣的紅外焦平面陣列盲元處理方法。常用的盲元檢測方法有如下幾種(1)定義鑒別法以整幀圖像中所有像元的灰度平均響應(yīng)率的10倍和1/10作為盲元檢測的臨界閾值，和每個像元的灰度值比較，將灰度值低于1/10和高于10倍的像元記錄為盲元。這種方法操作簡便，但容易錯判漏判。( 雙參考輻射源法利用兩個不同溫度的均勻黑體輻照源對紅外焦平面陣列進行輻射，得到探測器對高低溫黑體響應(yīng)的差值和像元的平均響應(yīng)差值。若響應(yīng)差值大于平均響應(yīng)差值的10倍或小于平均響應(yīng)灰度值的1/10時，認定該像元為盲元。另外，還可以根據(jù)各個像元在高低溫黑體輻射下的響應(yīng)差值與設(shè)定的閾值進行比較， 來檢測盲元及確定其位置。其中閾值在實際應(yīng)用中一般采用經(jīng)驗值進行設(shè)定，即根據(jù)各像元對雙參考輻射源的實際響應(yīng)數(shù)據(jù)及盲元定義的臨界值進行多次迭代以確定閾值，而求解盲元臨界值時，需要知道盲元具體數(shù)量。顯然雙參考輻射源法不能對紅外焦平面陣列使用過程中產(chǎn)生的隨機盲元進行即時檢測，其通用性受到限制。(3)預(yù)設(shè)門限法將黑體輻照區(qū)分為上下兩個部分，預(yù)設(shè)一個比較門限，然后遍歷上半?yún)^(qū)的像元，每個像元對應(yīng)的灰度值與其后面5個像元和下面5個像元的灰度值做差，若差值大于門限值，則判斷該像元為盲元，下半?yún)^(qū)的像元用類似方法進行判別。這種方法算法簡單靈活，運算速度快。但是隨著時間和溫度的漂移，檢測精度將受到影響，因此，該類方法通常需要定期的采用黑體輻照以得到響應(yīng)差值。這樣，不僅需要中斷實時成像過程，而且操作復雜。(4) 3σ法盲元理論模型在溫度為Γ均勻黑體輻照下，探測器響應(yīng)及其噪聲分布服從正態(tài)分
布φ(χ) = (^πσΡ/2滬]。其中，探測器所有探測元灰度均值為μ，灰度均方
差為σ。在固定溫度條件下，計算一幀圖像灰度均值和該幀圖像的平均噪聲電壓均方差為cr。若該像元的灰度響應(yīng)值超過則確定該像元為盲元。( 以上幾種方法的組合，或是采用這些方法之前對盲元進行預(yù)處理等。目前國內(nèi)外有關(guān)盲元補償?shù)乃惴ㄏ鄬Ρ容^成熟，常用的方法有相鄰元替代法、線性插值法、中均值濾波和二維線性外推補償法等。上述幾種盲元檢測方法都是以紅外焦平面陣列在標準黑體輻射下輸出的響應(yīng)數(shù)據(jù)作為盲元檢測的依據(jù)。但是隨著工作時間和環(huán)境溫度的變化，IRFPA可能會出現(xiàn)新的盲元，這就需要一種不依靠標準黑體并能隨時隨地進行盲元檢測的實用方法。李福巍，張運強在《積分時間對紅外焦平面成像系統(tǒng)的影響》一文中指出，在焦平面探測器電路參數(shù)固定的情況下，系統(tǒng)輸出響應(yīng)與積分時間成正比。實驗證明，通過調(diào)整積分時間，可以獲得紅外焦平面成像系統(tǒng)在不同積分時間下的響應(yīng)。周慧鑫，殷世民等人在 《紅外焦平面器件盲元檢測及補償算法》一文中指出，IRFPA中的盲元與有效像元在響應(yīng)特性是存在很大差異。有效像元在一定的動態(tài)范圍內(nèi)是線性的，而盲元的動態(tài)范圍遠離有效像元的動態(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偏低，對兩個不同溫度的響應(yīng)其兩點差值偏離有效像元的兩點差值。同理，在不同的積分時間下，盲元與有效像元也表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性。通過上述分析，調(diào)整積分時間能夠影響IRFPA的響應(yīng)輸出，這就為盲元檢測提供了可能。為此本發(fā)明提出基于積分時間調(diào)整的紅外焦平面陣列盲元檢測方法。該方法通過調(diào)整積分時間由短到長的變化來獲取IRFPA在不同積分時間下的響應(yīng)輸出值，然后再利用各個探測單元的響應(yīng)輸出差異性來進行盲元檢測，在此基礎(chǔ)上再對盲元進行補償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有盲元檢測方法必須依賴于價格昂貴的標準黑體輻射，并且需要固定暗室才能進行盲元檢測的不足，提出一種基于積分時間調(diào)整的紅外焦平面陣列盲元檢測方法。該方法利用鏡頭蓋將紅外鏡頭蓋上，通過復雜可編程邏輯器件(CPLD)依次調(diào)整 IRFPA的積分時間便可進行盲元檢測，方法實施過程簡單，不受標準黑體和固定暗室的限制，可根據(jù)需要隨時隨地進行盲元檢測。基于積分時間調(diào)整的IRFPA盲元檢測方法實施過程如下
記錄不同積分時間下探測單元IRFPA的響應(yīng)輸出值。首先，確定IRFPA的積分時間點。依據(jù)IRFPA讀出電路的積分時間變化范圍，按積分時間變化步長(ΔΓ )從最小積分
時間(Taki )開始，依次疊加一個ΔΓ，直到最大積分時間(了皿)為止，從而生成各個積分
時間點；其次，記錄并保存各個積分時間點的響應(yīng)輸出值。將紅外鏡頭蓋上，每隔時間間隔
權(quán)利要求
1.一種基于積分時間調(diào)整的盲元檢測方法，其特征在于，記錄不同積分時間下探測單元IRFPA像元響應(yīng)的輸出值；在紅外成像系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)為線性的區(qū)間內(nèi)，連續(xù)取多個積分時間下像元響應(yīng)的平均灰度值作為對應(yīng)像元的響應(yīng)率；根據(jù)像元的響應(yīng)率判定有效像元和盲元，定位并記錄盲元，利用盲元最鄰近的幀內(nèi)像元和幀間像元的均值，對定位后記錄的盲元進行圖像真值的實時補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盲元檢測方法，其特征在于，所述記錄IRFPA像元響應(yīng)的輸出值具體為，依據(jù)IRFPA讀出電路的積分時間變化范圍，將紅外鏡頭蓋上，從最小積分時間 Tmkl開始，按預(yù)定的積分時間變化步長ΔΓ調(diào)整CPLD生成不同積分時間對應(yīng)IRFPA的響應(yīng)輸出，直到最大積分時間U為止，記錄并保存響應(yīng)輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盲元檢測方法，其特征在于，判定有效像元和盲元具體為以像元為中心，在大小為特定尺寸的窗口內(nèi)查找最大和最小像元灰度值；去掉最大和最小像元灰度值，根據(jù)像元的響應(yīng)率、最大和最小灰度值計算該窗口內(nèi)剩余像元灰度平均值，當像元灰度平均值大于最大像元灰度值的10倍或者小于最小像元灰度值的1/10時對應(yīng)的像元判定為盲元，否則為有效像元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盲元檢測方法，其特征在于，獲得像元響應(yīng)率的具體方法k為對像素尺寸為的IRFPA探測器，根據(jù)公式p工嚴泰+糊獲得像元
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的盲元檢測方法，其特征在于，在確定的積分時間點， 在AxA的窗口內(nèi)對像元灰度均值進行查詢，找出最大、最小像元灰度值‘、^aift ,去掉，根據(jù)公式^計算窗口內(nèi)剩余像元灰度的平均值，當 Rmmc- ^mm(A X A) — 2丟1 >10‘或者S <10^時，則認為該像元為盲元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5其中之一所述的盲元檢測方法，其特征在于，當利用盲元最鄰近的幀內(nèi)4個像元和幀間的2個像元對圖像的真值進行補償，根據(jù)公式
全文摘要
本發(fā)明請求保護一種基于積分時間調(diào)整的紅外焦平面陣列盲元檢測方法，屬于信號探測技術(shù)領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)的基于標準黑體輻射源的盲元檢測方法依賴昂貴黑體和固定暗室的條件限制，不能根據(jù)需要隨時隨地進行盲元檢測，提出一種通過CPLD編程靈活方便的調(diào)整紅外焦平面陣列在不同積分時間下的響應(yīng)輸出值，根據(jù)響應(yīng)輸出值計算各個探測單元的響應(yīng)率，依據(jù)盲元定義檢測盲元。記錄不同積分時間下的探測單元響應(yīng)輸出值、盲元檢測及盲元補償。本發(fā)明方法實施過程簡單，在IRFPA盲元檢測中具有應(yīng)用和推廣價值。
文檔編號G01J5/02GK102410880SQ20111022326
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者代少升, 肖義, 黃 俊 申請人:重慶郵電大學