本發(fā)明涉及過采樣技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)的時域截取過采樣方法。

背景技術(shù)：

紅外圖像在軍事、民用和醫(yī)學(xué)等各方面正得到越來越廣泛和深入的應(yīng)用。與此同時，人們對紅外成像系統(tǒng)中圖像的要求也越來越高。隨著大面陣、高幀頻紅外探測器應(yīng)用的不斷增加，采集系統(tǒng)必須具備更高的數(shù)據(jù)處理能力以及更低的本底噪聲。因此，采樣處理的實(shí)時性的提高以及噪聲水平的降低成為了研究的重點(diǎn)方向。

現(xiàn)階段，國內(nèi)對于信號過采樣技術(shù)普遍采用的是頻域轉(zhuǎn)換濾波的方式，以達(dá)到消除有效頻率信息外噪聲的目的。但是由于紅外成像探測器本身的響應(yīng)方式以及輸出幀頻的限制，使得多種類型的高頻噪聲混疊至低頻區(qū)域，導(dǎo)致系統(tǒng)在頻域處理效果不佳。另一種方式則是通過硬件信號調(diào)理、濾波電路實(shí)現(xiàn)，該方式實(shí)時性好但是成本高且適配性不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法。

本發(fā)明的構(gòu)思是：利用過采樣統(tǒng)計失真樣本模板，根據(jù)失真樣本模板裁剪實(shí)時樣本，統(tǒng)計樣本再次截取后進(jìn)行濾波，完成像元級處理后在用均值處理實(shí)現(xiàn)通道間的補(bǔ)償處理。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法，包括如下步驟：

步驟一：對紅外探測器信號進(jìn)行過采樣；

步驟二：應(yīng)用先驗(yàn)信息以及像元統(tǒng)計信息對過采樣后的樣本進(jìn)行截取，剔除信息失真樣本；

步驟三：對截取后的樣本進(jìn)行濾波處理；

步驟四：將濾波后的樣本進(jìn)行圖像幀級統(tǒng)計，運(yùn)用統(tǒng)計信息進(jìn)行通道間補(bǔ)償。

進(jìn)一步，所述的步驟一中過采樣頻率大于或等于探測器像元輸出頻率的32倍，以確保后續(xù)處理具備足夠的樣本數(shù)量。

進(jìn)一步，所述步驟二中首先由多幀全像元統(tǒng)計得到變化大于統(tǒng)計門限閾值樣本的模板，根據(jù)該先驗(yàn)信息剔除相應(yīng)的樣本，而后在剩余樣本中進(jìn)行統(tǒng)計，并再次剔除最值樣本。

進(jìn)一步，所述步驟三中，進(jìn)行濾波處理時，為保證計算精度，應(yīng)保證樣本數(shù)量在此刻應(yīng)為2的冪指數(shù)倍。

進(jìn)一步，所述步驟四中，針對多通道輸入的應(yīng)用場合，對濾波后的樣本進(jìn)行幀級像元平均灰度統(tǒng)計，通道間差異采用平均值的方式在下一圖像幀像元濾波處理后進(jìn)行補(bǔ)償。

本發(fā)明采用一種應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：

1)高實(shí)時性。使用先驗(yàn)信息對時域過采樣信號進(jìn)行處理，簡易的截取與統(tǒng)計、濾波方式降低了采樣預(yù)處理的運(yùn)算量。

2)高適配性?？舍槍Σ煌敵瞿Ｊ?、不同種類、不同批次的探測器進(jìn)行效果一致的采樣處理。

3)濾波效果高于過采樣后的頻域處理方式。主要原因在于高頻噪聲混疊帶來的頻域抑制能力下降。

4)易于工程實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的算法復(fù)雜度低，易于工程實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明在紅外成像領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施范例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法的模板截取示意圖；

圖2為本發(fā)明應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法的算法流程示意圖。

圖3為本發(fā)明應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法的應(yīng)用效果示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，一種應(yīng)用于紅外探測器的低噪聲采樣方法，包括如下步驟：

步驟一：對紅外探測器信號進(jìn)行過采樣，設(shè)置采樣頻率為探測器像元輸出頻率的32倍。

步驟二：統(tǒng)計100幀全像素像元的過采樣樣本，形成單像元過采樣平均樣本，以此樣本求取灰度變化最大的12點(diǎn)作為失真信號先驗(yàn)信息。

步驟三：應(yīng)用先驗(yàn)信息剔除實(shí)時過采樣像元樣本，統(tǒng)計剩余樣本后再次進(jìn)行最值剔除。

步驟四：對截取后的樣本進(jìn)行濾波處理。

步驟五：將濾波后的樣本進(jìn)行圖像幀級統(tǒng)計，運(yùn)用統(tǒng)計信息進(jìn)行通道間補(bǔ)償。

對于整個成像系統(tǒng)，噪聲來源非常繁雜。從光學(xué)系統(tǒng)入瞳處的反射信號到最終的圖像灰度值，每個環(huán)節(jié)上均存在各種各樣的噪聲。在探測器輸入相同的情況下，其輸出值的統(tǒng)計量標(biāo)準(zhǔn)差定義為探測器像元的時間噪聲。本發(fā)明主要針對紅外成像傳感器像元的時間噪聲進(jìn)行采樣處理。而對于多通道輸出探測器信號則采用通道均值補(bǔ)償?shù)姆绞饺コ町悺?/p>

常規(guī)條件下的噪聲分析，將白噪聲的數(shù)學(xué)模型近似地描述實(shí)際信號中的噪聲，由此得出信號頻帶內(nèi)的噪聲能量譜密度可以表示為

式中：e_rms是平均噪聲功率；f_s是采樣頻率；E(f)是帶內(nèi)能量譜密度。

利用過采樣率(Oversampling Ratio，OSR)來表示采樣頻率與奈奎斯特頻率之間的比較關(guān)系，定義為

式中：f_m是輸入信號的最高頻率。

經(jīng)過信號輸出端的帶內(nèi)噪聲功率為

n₀為過采樣輸出的噪聲功率。

由式(3)可知，通過增大OSR可以減小帶內(nèi)噪聲功率。過采樣并不影響信號功率，所以過采樣可以通過減小噪聲功率但不影響信號功率來提高信噪比。

由上，本發(fā)明采用了32倍過采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，用以壓制白噪聲的干擾。硬件上通過高速AD以及FPGA控制實(shí)現(xiàn)。

對于實(shí)際信號而言，以雙通道探測器輸出為例，過采樣后的輸出波形混疊了像元間的切換開關(guān)噪聲以及由通道不均勻性帶來的直流偏移量。圖1即為雙通道AD連續(xù)過采樣后拼接得到的數(shù)據(jù)。為抑制開關(guān)噪聲，本發(fā)明采用先驗(yàn)信息模板截取的方式拋棄失真樣本。

先驗(yàn)信息為單通道內(nèi)累計多幀過采樣樣本的均值，如式(4)所示。

其中A_i為A通道內(nèi)獨(dú)立像元過采樣樣本均值，a_i為過采樣樣本，N為單幀圖像A通道內(nèi)像元數(shù)量，F(xiàn)為采樣圖像幀數(shù)。

同理得到B通道的樣本均值B_i。

計算每個過采樣樣本均值的標(biāo)準(zhǔn)差，取最大的12個樣本作為失真模板，例如A(31:0)＝[1111 1100 0000 1100 1010 1100 1111 1111]，其中0為32組過采樣樣本均值的失真位。此模板即先驗(yàn)信息模板。將此先驗(yàn)信息錄入FPGA的ROM內(nèi)部，由FPGA控制對于每個通道的過采樣樣本進(jìn)行截取。每個像元的過采樣樣本P1經(jīng)截取后得到P2，截取方式為式(5)。

P2＝P1·A (5)

截取后的20個樣本由FPGA統(tǒng)計最值并再次進(jìn)行最值截取。得到16個有效樣本P3。截取方式為式(6)。

P3＝P2·A_max·A_min (6)

A_max為最大值模板，A_min為最小值模板。

以P3有效樣本進(jìn)行低通FIR濾波，濾波方式如式(7)。

以P4濾波樣本進(jìn)行能量平均，得到單通道有效像元灰度值P。如式(8)。

由式(9)式(10)獲得圖像幀級的通道能量統(tǒng)計。

其中P_averA為A通道有效像元灰度單幀統(tǒng)計均值，P_averB為B通道有效像元灰度單幀統(tǒng)計均值。

最后進(jìn)行通道間的灰度直流補(bǔ)償。如式(11)式(12)所示。

如圖2所示，為本發(fā)明的算法流程圖。運(yùn)用本發(fā)明的算法，探測器同一輸出通道單幀全部像元處理前與處理后噪聲統(tǒng)計如圖3所示。