（电子科学与技术专业论文）光电目标检测与跟踪系统算法实现技术研究.pdf

a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri sas c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t ：“t h ep h o t o e l e c t r i c s h i p b o m e s c o u ts y s t e mb u i l d i n go nan a v a lr e c o n n a i s s a n c es h i p ”i nt h i st h e s i s ，t h ea l g o r i t h mo ft h e p h o t o e l e c t r i ct a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n gs y s t e mi sm a i n l ys t u d i e d f o l l o w i n gt h es t e po f p h o t o e l e c t r i cd a t ap r o c e s s i n g ，t h et e c h n o l o g i e so fi m a g ep r e p r o c e s s i n ga n dp h o t o e l e c t r i ct a r g e t d e t e c t i o na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i ne x o r d i u m ，t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h ea r t i c l ei si n t r o d u c e df i r s t l y t h ef r a m e w o r k a n dw o r k i n go u t l i n eo ft h ep h o t o e l e c t r i ct a r g e td e t e c t i o na n d t r a c k i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e dt o o a tl a s t ，r e s e a r c ha c t u a l i t y a n dd e v e l o p i n gt r e n do f t h e p h o t o e l e c t r i cs h i p b o r n es c o u ts y s t e ma r e g i v e n s e c o n d l y ，t h eb a dp i x e lr e p l a c e m e n ta n dn o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o nt e c h n o l o g i e so f p h o t o e l e c t r i ci m a g ep r e p r o c e s s i n ga r ei n t r o d u c e d e x i s t i n gs c e n es t a t i s t i c a la l g o r i t h m sf o r n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o na r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a i ma ts o l v i n gt h ei n t r i n s i cp r o b l e mo f k a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mi nb u i l d i n gs t a t em o d e l ，t w os t a t em o d e l sa r eu s e dt os i m u l a t et h e n o n d r i f t i n gc a s ea n dt h es e v e r ed r i f t i n gc a s e i m ma l g o r i t h mi su s e dt oc o m b i n et h ee s t i m a t i o n s o f t h cr e s p o n s ep a r a m e t e r so fd e t e c t o r si nt w oc a s e s ，i nt h i sw a y ，t h eb a d i m p a c to ft h e i n d e t e r m i n a t i o no fr e s p o n s ep a r a m e t e ri sg o t t e nr i do f t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na n a l y s i s r e v e a lt h a tt h ei m ma l g o r i t h mc o m p a r e sf a v o r a b l yt ot h ek a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h mi n c o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e i nc h a p t e rt h r e e ，as i m p l ea n de f f e c t i v ep r o c e s si sp r o p o s e df o rt h ed e t e c t i o no f p h o t o e l e c t r i ct a r g e ti ns k yb a c k g r o u n d f i r s t ，b a c k g r o u n dc o m p o n e n ti ss u p p r e s s e du s i n g t e m p o r a ld i f f e r e n c i n gm e t h o dt of i n dt h ep o s i t i o no f t a r g e ti ni m a g e ，t h e n ，o n l yi nt h es m a l l p o t e n t i a lr e g i o no f t a r g e t ，o r i g i n a li m a g ei ss e g m e n t e dt oe x t r a c tt a r g e t i nt h i sw a y ，t h eb a d i m p a c to fb a c k g r o u n do ns e g m e n t a t i o ni sr e m o v e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yd e c r e a s e i m a g es e g m e n t a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt a r g e td e t e c t i o na l g o r i t h m ，s oi nt h i sc h a p t e r ，s o m e s e g m e n t a t i o na l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e d t h e s ea l g o r i t h m sa r ec o m p a r e da tc o m p u t a t i o n c o m p l e x i t ya n dm e m o r yr e q u i r e m e n t o s t ua n dm o m e n tp r e s e r v i n gt h r e s h o l d i n gm e t h o da r e f i t t e rf o rr e a l t i m ep h o t o e l e c t r i ci m a g es e g m e n t a t i o n i nc h a p t e rf o u r ，ap r o c e s so fs m a l lt a r g e td e t e c t i o ni sp r o p o s e d t h ep r o c e s sc o n s i s t so f s u p p r e s s i o no f b a c k g r o u n da n dm u l t i s t a g eh y p o t h e s i st e s t i n g ( m h t ) a l g o r i t h mf o rs e a r c h i n g t a r g e t d e s i g n i n gm e t h o do fm h t i si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ep e r f o r m a n c eo fm h ti sa n a l y z e d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es n ro f i m a g e a n dt h ea l g o r i t h mc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n d m e m o r yr e q u i r e m e n ti sa c q u i r e d ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d ef o rt h es e l e c t i o na n dd e s i g n i n g o fh a r d w a r e f i n a l l y ，t h em a i nw o r k so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e d t h ed e f e c to fs y s t e md e s i g n i n gi s a n a l y z e d a l s ot h ef u t u r er e s e a r c ha r e a sa r ep o i n t e do u t 【k e yw o r d s ：n o n u n i f o r m i t yc o r r e c t i o n ，b a c k g r o u n ds u p p r e s s i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ， t a r g e td e t e c t i o n ，m u l t i s t a g eh y p o t h e s i st e s t i n g 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图i - 1 光电目标检测与跟踪系统结构框图。，。 图1 2 基于p c i 总线的光电数据采集板 图l - ：j 本文组建的光电侦察系统现场工作图 图14 光电目标检测与跟踪系统工作流程图 图卜5 光电侦察系统主控程序界面， 图2 一l 焦平面阵列中三种典型单元的响应曲线 图2 2 坏点补偿示意图 图2 3 恒定范围统计法校f 流程图 图2 - 4长波红外图像坏点补偿结果 图2 - 5 低温辐射源照射下，长波红外图像坏点补偿结果 图2 - 6 恒定统计法校正非均匀性结果， 图2 7i m m 算法对图2 6 b 进行校正的结果， 阁2 - 8 卡尔曼滤波法校正结果， 豳2 - 9i m m 算法校正非均匀性结果， 图2 一1 0i m m 算法对图2 9 b 进行校正结果 图2 一1 1r m s e 曲线， 图3 1面同标检测算法流程图 图32 目标飞行示意图，。 图3 3 中波红外图像背景抑制结果( 大目标) 图3 - 4 中波红外图像背景抑制结果( 小目标) 。 图3 5 图3 - 3 b 的阈值分割结果， 图3 6 图3 3 b 的目标检测结果， 图3 7 图3 4 b 的阀值分割结果一 图3 8 图3 4 b 的目标检测结果， 图4 1 光电弱小目标检测流程图 图4 2 飞行轨迹示意图 图4 3 多级假设检验算法中计算量、存储量与信噪比的关系 图卜1 用于图像差分的光电图像序列 图4 5 刁域差分法抑制背景杂波后的a g c 图像， 图4 - 6 目标航迹检测结果，： ： d 0 1 0 1 0 1 4 1 9 2 0 2 0 2 1 2 1 2 2 2 2 2 3 2 5 2 6 3 2 。3 3 3 4 ，3 4 3 5 3 5 3 7 4 2 4 8 4 9 5 0 5 0 第i i i 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 表目录 表2 1非均匀性校正性能参数比较 表3 1 滤波器权值的选取 表32 四类图像分割方法计算量统计表 表pl图4 2 中轨迹生成的轨迹查找表 表42 各层次上的节点个数和到达概率 2 2 2 6 3 6 4 2 4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 出生旦拯捷捌生退监丞缝篮鎏塞塑撞盎盈究 学位论文作者签名 兰堡：盅 日期：a t q 年1 1 月j 5 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借闽；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：出宣亘拯捡型曼l 星篮歪红簋洼塞墨挂苤盟窥 学位论文作者签名： 盐。睦壹： 作者指导教师签名：凼：鲨垒 日期：土一口斗年ij 月f 5 日 日期：弘年f1 月心日 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 随着信息化时代的到来，武器装备水平的不断提高，信息对抗技术的不断发展，使得 现代战争的战场环境同益复杂，对武器侦察系统的要求也越来越高，单一的雷达侦察系统 已很难满足现代战争的需要。目前，飞机、舰船、坦克等现代军事作战平台，普遍装备了 可见光、红外复合的光电侦察系统，以此来提高武器系统的侦察能力。 传统的雷达侦察系统具有探测距离远、搜索能力强的特点，是重要的目标侦察手段。 但也存在。些致命的弱点，如：易受电子干扰；易被敌方侦察发现，隐蔽性差；对目标侦 察的角分辨力弱，目标指示精度低等。另外，在对付低空目标和掠海导弹时，会产生镜像 效应，并且海浪杂波的干扰可能淹没目标。为了弥补雷达的不足，舰船上普遍装备了各式 各样的光电侦察系统。红外、可见光由于被动探测的工作方式，具有良好的隐蔽性，不易 被干扰；另外光电探测的角分辨率高，对目标的定位更加精确，特别是在跟踪近距离目标 时，具有显示直观、利于截获和跟踪的特点。光电侦察系统可在雷达静默或雷达受干扰不 能f 常工作时替代侦察雷达工作，也可与雷达相互配合，协同工作。利用雷达与光电侦察 系统的互补特性，能够大大提高武器平台的整体侦察能力。 本课题来源于科研项目海军“x 侦察船”舰载光电侦察系统，本系统包括有可 见光与红外两种侦察方式，具有全天候的光电侦察能力，可对空中、海上、陆上目标进行 昼夜侦察，获取图像情报资料。同时，在舰载导航雷达的导引下，可对重要目标进行检测、 跟踪，跟踪同时录取目标的红外、可见光辐射信息。本系统研制的技术难点在于对目标的 实时检测与跟踪。因此本文主要研究了天空背景下光电目标检测与跟踪系统的实现技术， 并侧重在光电图像预处理和目标检测的算法实现上。舰载光电侦察系统的研发要求具备信 号处理学科、目标特性与识别学科、信息处理机和总体技术等相关学科的知识，系统的成 功研制将埘我国精确制导技术的发展具有极大的推动作用。 1 2 光电目标检测与跟踪系统设计 舰载光电侦察系统包括有可见光与长波红外探测器、光电目标检测与跟踪系统、伺服 控制系统等。光电探测器与光电目标检测与跟踪系统共同完成数据的采集与存储，同时对 目标进行实时的检测与跟踪。伺服控制系统负责感应和补偿船体的运动，同时在检测与跟 踪系统的引导下跟踪目标。各系统中，光电目标检测与跟踪系统无疑是光电侦察系统的关 键部分。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 1 光电目标检测与跟踪系统构成 光电目标检测与跟踪系统是实现数据采集、存储与实时处理的硬件平台，主要完成以 f 任务： 1 、采集、存储光电图像，并进行校证； 2 、实现光电目标的实时检测； 3 、输出目标与探测器光轴的偏移量，实现对目标的实时跟踪，并显示目标的相关信 息； 4 、实时录取侦察过程的视频录像，采集重要的光电图像； 5 、完成系统故障自检。 光电日标检测与跟踪系统以高可靠工业控制计算机为平台，由光电数据采集板、目标 检测与跟踪处理板、故障信息采集卡、大容量磁盘阵列等构成。浚系统结构框图如下： 光电 测最数 大弈景 硬盘 光 电 数 据 采 集 板 目 标 检 测 跟 踪 处 理 板 b i t 总线 b i t 采 集 处 理 板 r s 4 2 2 总线 b i t 信息输 惑勰站蛳 存储与处理t 作站j 、r l 二二 图卜1光电目标检测与跟踪系统结构框图 通过光电数据采集板读取光电图像数据，并将重要的数据保存在大容量硬盘中，同时 由嗣标检测、跟踪处理板对数据进行实时处理，实现对目标的检测与跟踪。目标检测、跟 踪处理板山数字信号处理器或可重构的f p g a 实现。b i t 采集处理板对电路系统进行在线 的故障自检测，以提高电路系统可靠性。 第2 页 国防科1 学技术大学研究生院学能论文 图卜2 基于p c i 总线的光电数据采集板 目前硬件开发人员己成功研制基于p c i 总线的光电图像数据采集板( 图l 一2 ) ，目标 的检测与跟踪处理暂时通过软件实现，软硬件的协同配合已初步实现了光电图像数据的采 集、存储与实时处理。并进一步与光电探测器以及伺服控制系统组建成完整的光电侦察系 统，对目标进行实时的检测与跟踪。图l - 3 为光电侦察系统的现场工作照片。 图1 3 本文组建的光电侦察系统现场工作图 1 2 2 光电目标检测与跟踪系统工作流程 光电目标检测与跟踪系统的工作流程图为： 国防科学技术人学研究生院学位论文 图卜4 光电目标检测与跟踪系统工作流程图 光电侦察系统中，光电目标检测与跟踪系统主要完成对图像数据的处理，具体包括有： 图像预处理、目标检测、目标跟踪。 由于制造材料、生产工艺的缺陷，红外探测器不可避免地存在响应异常的坏点，即便 是响应币常的探测单元，也存在响应非均匀性的问题。严重影响探测器的成像质量和后续 的目标检测、跟踪处理环节。因此有必要对实际采集的图像进行校正，包括坏点补偿和非 均匀性校难。将响应异常的坏点用其相邻像元的灰度平均值代替，对于探测器的响应非均 匀性，则设法估计出探测单元的响应参数，进行校正。 对校f 之后的图像进行目标检测。天空背景下的光电图像包含有目标、背景、噪声。 首先通过背景抑制，消除背景对目标检测的影响。背景抑制后的图像仅包含目标和噪声， 对于面目标和点目标，将采用不同的处理方法。面目标通常具有较高的信噪比，单帧图像 便可保证较好的检测性能；而对于点目标，必须应用“检测前跟踪”算法，在图像序列中 沿目标运动轨迹进行能量累积，消除噪声干扰，确定真正的目标。 由于目标的运动特性，在图像序列中的成像位置始终发生变化。因此有必要对目标进 行跟踪，得到目标在每帧图像上的位置，给出目标运动速度和方向的估计。根据目标成像 面积的大小，采用不同的跟踪方法，对于面目标，通常采用窗口质心跟踪或匹配跟踪方法； 而对于点目标，则采用滤波跟踪方法以提高跟踪精度。 跟踪处理的同时，光电检测与跟踪系统输出探测器光轴与目标的偏差，驱动伺服控制 系统对目标进行高精度跟踪。 按照上述数据处理的要求，作者参与丌发了光电侦察系统软件，具体包括有主控程序 模块、光电图像采集显示与存储模块、图像预处理模块、目标检测与跟踪模块、伺服控制 模块等。其中，图像采集、显示与存储模块负责从光电传感器采集图像，并进行实时的显 示与存储；图像预处理模块完成坏点的检测与补偿；目标检测与跟踪模块完成对目标的检 测、跟踪处理，并将目标的位置信息提供给伺服控制模块；伺服控制模块负责对伺服跟踪 系统进行控制；主控程序模块对上述各模块进行统一管理，使得各模块协调工作。图l 一5 为光电侦察系统的主控程序界面。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图卜5光电侦察系统主控程序界面 1 3 舰载光电侦察系统的研究现状与发展趋势 光电侦察系统的研制始于7 0 年代中期，8 0 年代初开始逐步装备部队。光电侦察系统 多数属舰载系统，其次是机载系统。舰载光电侦察系统能与对空侦察雷达、对海侦察雷达 一起组成复合侦察探测系统，对空中、海面目标进行检测、跟踪。下面介绍几种国外典型 的舰载光电侦察系统。 1 , 3 1 法国及其它国家的红外搜索与跟踪系统 v a m p i rm bi r s t 系统是v a m p i r 系列产品中的最新产品，采用组件式结构设计， h 法圜s a t 公司和s a g e m 公司联合研制，具有双波段工作能力，能对掠海导弹、飞机、 巡逻艇和水霄进行探测和定位，并向武器攻击系统提供目标方位信息。 v a m p i r m bi r s t 系统主要由探测器、伺服稳定跟踪平台、伺服控制机柜和用于信号 处理的电子机柜组成。稳定跟踪平台重1 5 0 蚝，能安装在舰船主桅杆上。红外双波段探测 器为法国s o f r a d i r 公司生产的2 8 8 4 红外焦平面阵列，采用分鹭式斯特林循环致冷。 该探测器的探测元尺寸为2 8 2 5 , u m ，采样速率可达1 0 0k h z ，视频输出速率可达2m h z ， 工作环境温度为5 5 7 1 。c 。该系统于1 9 9 3 年6 月开始研制，1 9 9 4 年底交付使用，主要安 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 装在法国新型“夏尔戴高乐”号核动力航母、“乔治莱格”级反潜护卫舰上。据称该 系统对战斗机作用距离为l8k m ，对超音速导弹作用距离为2 7k i n 。 d i b v 一1 0i r s t 系统是由s a t 公司和c s e e 防务公司联合研制的一种用于威胁源告警 和目标指示的i r s t 系统。稳定跟踪平台主体头部呈圆柱形，重量4 5 0k g ，扫描速率为6 0 r a d m i n 。系统采用双波段红外复合制导，中波红外工作波段为3 5 t m ，长波红外工作波 段为8 1 4 t m ，视场角均为2 5 。试验测试表明，d i b v 1 0i r s t 系统对直升机大小的目标 探测距离为2 0k m ，通过探测反舰导弹的高温尾焰，可探测到水天线以外的来袭导弹。 d i b v 一1 0v a m p i ri r s t 系统的研制计划于1 9 8 0 年首次公布，于1 9 8 6 年丌始装备部 队，到1 9 8 8 年，d i b v 一1 0 系统已成为法国主战舰的标准装备。然而，由于该系统重量过 大，结构复杂，不适于安装到小型战舰上。为了减轻重量，将双波段改为单波段( 3 5 , u m 和8 1 4 , u m 波段任选一种，并可互换) ，于是出现了体积更小、重量更轻的v a m p i r m l 1 i 系统。改造后，主体重量从4 5 0k g 减至8 0 蚝，适于安装到舰船桅杆等较高位置，减小障 碍物刈目标侦察的影响，扫描速度增至1 2 0r a d m i n ，搜索范围增大，其中俯仰方向为 一】0 9 6 0 。 美国洛克希德马丁电子及导弹公司于1 9 9 6 年开始研制s i r s t 舰载侦察用红外搜索 与跟踪系统。s i r s t 系统具有每秒种3 6 0 。连续扫描能力，以边观测边扫描的工作方式对目 标状态进行监视，提供准确的来袭目标信息。舰载s i r s t 系统的主要用于检测超音速掠海 导弹，因而s i r s t 系统的俯仰范围仅为2 。或2 5 。 1 9 9 8 年s i r s t 演示样机在“宙斯盾”巡洋舰上进行了探测、目标报告、虚警率、测距 及目标指示等关键性能试验，美海军计划将s i r s t 系统装备在“宙斯盾”舰船上。 另外，国外典型的舰载光电侦察系统还有荷兰和加拿大联合研制的“天狼星”系统， 荷兰的i r s c a n 系统和以色列的s p i r t a s ( d s 一3 5 ) 系统等。 1 , 3 2 光电侦察系统的发展趋势 从“沙漠风暴”、“沙漠之狐”及近年来一些空袭战争中可以清楚地看到，当前高新 技术局部战争的模式是预警侦察精确打击效果评估再打击，直至达到预期目 的。光电技术和光电设备在侦察、夜战和空袭中发挥着举足轻重的作用，其中光电侦察系 统更是功不可没。光电侦察系统作为集光电技术、致冷技术、弱信号处理技术于一体的高 新技术，是在电子干扰恶劣的环境条件下，用于探测目标的重要设备。其发展趋势表现为： 1 、研制集雷达、前视红外、激光辐射器、激光跟踪器及微光电视等技术于一体的复 合型光电侦察系统，拓宽频谱利用范围，降低虚警率，提高多目标处理与识别能力。 2 、采用电扫或多元并行处理接收的全景凝视技术，使光电侦察系统不仅能准确判断 威胁源的种类，还能对威胁源进行准确定位。 3 、增加探测器敏感元的数量，提高传感器的帧速，从而减小对选定区域进行搜索所 需的时间。另方面，延长瞬时积分时间，降低误警率。 第6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 4 、随着硬件处理能力的提高，系统将不断增强边搜索边跟踪的能力，不断提高在复 杂背景下的多目标信号处理能力。 5 、系统不断向模块化、结构化及组件式和小型化的方向发展。 1 4 本文的主要工作与结构安排 本文主要研究了光电目标检测与跟踪系统中的图像预处理技术和目标检测算法。 第一章介绍了本课题研究的应用背景，以及拟建设的光电目标检测、跟踪系统的构成 和工作概况。最后介绍了舰载光电侦察系统的研制现状和发展趋势。 第二章首先提出了红外成像探测器的线性响应模型，分析了进行图像预处理的必要 性。然后介绍了光电图像预处理中的坏点补偿和非均匀性校正技术。针对场景统计类非均 匀性校f 算法存在的不足，进行了改进，实验结果表明改进后的算法在收敛性能上有较大 改善，综合性能最优。 在第三章中，针对天空背景下的光电面目标，提出了简单有效的检测算法流程：首先 对图像做时域差分运算，抑制背景，确定目标在图像中的大致位置。而后只需在存在目标 的小范围区域内，对图像进行分割，提取目标，从而有效消除背景对图像分割的影响，并 减小了运算量。本章介绍了在工程中广泛应用的几种图像分割算法，并从图像分割效果和 计算量两方面，对分割算法进行了分析比较。 第四章提出了天空背景下弱小目标检测的处理流程：首先应用时域差分法对背景进行 抑制，而后通过多级假设检验算法搜索目标。本章着重介绍了多级假设检验的设计方法， 并对检验性能进行了分析，得到了算法计算量、存储量与图像信噪比的大致关系，为硬件 器件的选型与设计提供了理论依据。 结束语部分对全文工作做了总结，分析了系统设计中存在的不足，并对课题的后续工 作进行了展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光电图像预处理 由于制造材料、生产工艺等诸多因素的限制，成像探测单元中不可避免地存在响应异 常的像元坏点；即便是响应正常的像元，也存在不同程度的非均匀性问题，严重影响 光电目标的检测、识别，因此有必要在图像预处理阶段进行坏点补偿和非均匀性校正。坏 点补偿的方法比较简单，通常用坏点相邻像元灰度代替坏点，从而进行校正。比较而言， 非均匀性校正则复杂得多。 非均匀性校正算法大体上可分为两类：基于参考源的校正和基于场景的校正。其中基 于参考源的校正算法在工程当中应用广泛，通过黑体定标，估计出探测单元的响应参数， 进而校正非均匀性。按参考源的个数不同，可分为一点定标校正法、两点定标校正法和多 点定标校正法等。定标校正的高精度是以复杂的硬件设备为前提的；且由于探测器响应的 漂移特性，必须经常对探测单元进行定标。在对精度要求不是太苛刻的场合，可以采用基 于场景的非均匀性校正算法。与基于参考源的校正算法不同，该类算法对响应参数的估计 来自于场景提供的信息。基于场景的非均匀性校正算法主要可分为两大类：基于场景统计 的校正和基于图像配准的校正方法。基于场景统计的非均匀性校正通过对实际场景值的分 布进行假定，应用统计学的处理方法估计探测器的响应参数，从而对非均匀性进行校正。 包括有恒定统计法【6 1 、恒定范围统计法【7 1 、卡尔曼滤波法【蚋、i c f 算法 9 1 等。而在基于图像 配准的非均匀性校正算法【l o l 【l l 】【l2 】中，对场景运动的估计过程是决定校正性能的重要环节， 当探测器的非均匀性较为恶劣时，该类方法的校正效果将受到限制。 本章首先介绍红外成像探测器的m o o n e y 线性响应模型，然后介绍了坏点补偿和非均 匀性校正的基本方法，最后，针对场景统计类校正算法存在的不足，进行了改进。 2 1 红外成像探测器的线性响应模型 分析红外凝视型探测器的响应特性时，通常会采用m o o n e y 的线性响应模型1 1 3 l ，该模 型认为焦平面阵列存在加性、乘性、光谱响应的非均匀性。当辐射源温度为毛时，探测单 元( f ，) 响应输出表示为( 毛) ，单位为电子的数量。 r ( 7 ：，) = l 勺。j 上( 旯，毛) ( a ) d 旯1 4 q 口+ 巩 ( 2 1 ) l j 式中q 。叫嚣舞l c z 2 ， 式中砀为光学系统的有效透射率，。为一帧图像的积分时间，工( 兄，巧) 为辐射源在 下的光谱辐亮度，( 旯) 为像元( f ，- ，) 的量子效率，a u 为像元( f ，) 的有效面积，q f 为包含 第8 页 里堕塾兰垫查奎兰塑丝竺堕兰堡篁圣 出射光瞳的投影立体角，d u 为像元( f ，j ) 在积分时间内累积的暗电荷，岛为像元( f ，j ) 的离 轴角，f # 为焦距与孔径宽度的比。 定义响应系数月。= q 口，探测器响应输出简化为： ：! ，( 巧) = 毛f 上( ，巧) ( 2 ) d a + d ，j ( 2 3 ) 依据m o o n e y 模型，像元的暗电荷d f j 不同导致了焦平面阵列的加性非均匀性；而探测 单元的有效面积一。和离轴角岛引起了焦平面阵列的乘性非均匀性；单元探测器量子效率曲 线之间的差异导致了光谱非均匀性a 将不同像元间的参数表示如下： b = ( b ) + 吒 ( 2 4 ) 凡= ( 凡) + o ( 2 5 ) 嘞( 丑) = ( ( a ) ) + ( ) ( 2 6 ) 上述公式中，( ) 表示参量在空间域上所有像元点间的平均值a 吒、气、k ( 兄) 分别表 示像元点( f ，) 的暗电荷、响应系数、量子效率与空间平均值的偏差，其中( 五) 为波长的 函数。 当焦平面阵列对均匀辐射体进行探测时，辐射源温度毛均为五，所有探测单元的输出 平均值为： ( ( 瓦) ) = ( ) j l ( 仉( a ) ) 三( 丑，五) d 旯+ ( q ) ( 2 7 ) 将式( 2 4 ) 到( 2 7 ) 带入式( 2 3 ) ，得到像元点( f ，- ) 对均匀辐射源的输出响应： ( 五) = ( ( 五) ) + 吃+ ( 吩r , j ) l 、n u ( 五) ) 一( 见) + ( 巧) j ( 上( ，五) d z 当假定d f 、0 、k f ( 相互统计独立时，探溅单元响应输出的方差表述为： 乖砖寺陬州蝴2 州( 盼纵旯) 2 ) 泛9 ， 盯n 、盯。分别表示暗电荷d 和响应系数r 非均匀性的均方根值。， 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 成像探测器的坏点补偿 由于制造材料和工艺上的缺陷，红外焦平面阵列中必然存在对红外辐射响应异常的 点。具体体现为两种形式；l 、盲元，即无论外界照度如何变化，其输出信号一直很低， 几乎没有响应；2 、击穿点，即无论外界照度如何变化，其输出一直维持在很高的电平位 置。焦平面阵列中三种典型单元的响应曲线如图2 - 1 所示，图中横轴表示探测器单元接收 的辐照度，纵轴表示单元探测器的响应输出。 y 点 e 匿t 2 - 1 焦平面阵列中三种典型单元的响应曲线 当外界辐射度变化时，盲元和击穿点的响应值不会发生相应的变化，这对红外图像影 响很大，因而必须对坏点进行补偿。根据坏点和正常点在响应特性上的区别，最常用的方 法是首先用一低温的标准黑体照射光电探测器，记录、存储每一探测单元的响应值：再用 高温的标准黑体照射光电探测器，再次存储每个探测器单元的响应值。比较两组数据， 如果某个探测单元对应的两个响应值有明显的变化，则判断该点是正常点，否则判断其为 坏点。 判断探测单元所对应的两个值有无明显的变化，需要设定门限。当两者差值超过门限 时，就认为它有明显的变化，对应点为正常点；反之，则为坏点。实际应用中，门限值需 要根据图像的补偿效果来确定。坏点补偿通常采用邻域平均的方法，即在实时显示图像时， 将坏点用它邻近四个像元灰度值的平均来替代：= ( 墨+ e + e + y 4 ) 4 ，如图2 - 2 所示a 经过坏点补偿后，可大大消除坏点对图像的影响。 图2 - 2 坏点补偿示意图 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 基于参考源的非均匀性校正算法 基于参考源的非均匀性校正方法原理简单，在工程当中应用广泛。利用参考辐射源给 焦平面阵列提供均匀的辐照度，对单元探测器的输出响应进行测量，进而估计出各探测单 元的响应参数，当获取红外图像时，根据响应参数的估计对图像进行校正。按照参考辐射 源的数量不同，校正方法分为一点定标校正法、两点定标校正法、多点定标校正法等。 2 3 1 一点定标校正法 只使用一个均匀辐射源对探测器进行定标，温度为7 0 。该温度下，探测单元( f ，- ，) 的 响应输出为( 乙，) ，所有探测单元的输出均值为( ( 。) ) ，当辐射源温度为巧时，探测 单元的校正输出为： 。! | ( 乃) = v f ( 毛) 一( 乙) + ( ( 乙。) ) ( 2 1 0 ) 将公式( 2 8 ) 带入( 2 1 0 ) 得： q ( i ) = ( ( 五) ) + i r , j 厂f n , 。( t ) ) 一( ( ) ) + ( 凡) j ( 【三( 丑z ) 一( 丑，) 】d 五 残余的空间非均匀性可通过计算所有探测单元输出值的方差进行衡量，依然假定名、 k ，( a ) 相互统计独立。输出方差表示为： 矗= 斋 ( 婀) ) _ ( 岫1 ) ) 2 + ( 硝( 黔纠m 嘶a 2 ) 由公式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可知通过一点定标校正之后，探测器响应的加性噪声以能 2 3 2 两点定标校正法 当采用两个均匀参考源对非均匀性进行校正时，温度分别为丁0 。、l 探测单兀( 1 j ) 的对应输出为n o ( 毛，) 、( ：) 。当参考源温度为乃时，校正输出( 乃) 为： ( 巧) = ( 弓) 一( ，) + ( ( 。) ) ( 2 1 3 ) 。：i 笠! 鱼! 1 2 二i 丝! 圣! ! 堕 ( 2 1 4 ) m = k - 一 - ” ：l ，( 毛f 2 ) 一“( 7 赢) 公式( 2 8 ) 带入( 2 1 3 ) 展开得： 第1 1 页 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( i ) t ( ( t ) ) + ( 巧) ( 旯) 工( a ，t ) + 【x ( i ) 一1 】工( 五，。) 一彭( i ) 工( 丑：) d 兄 ( 2 1 5 ) 式中 k ( c ) = 所有探测单元输出值方差近似为： 靠* ( 毛) 2 ( ( i c ? c 五，i ，+ 【k c 瓦，一】上c 2 ，瓦。，一k c e ，工c 五，z 乙：， d a 2 ) 由公式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 可知两点定标校正法可有效消除加性和乘性噪声吒、吃。 当考虑探测器响应的非线性特性时，为了提高校正精度，进一步增加参考辐射源的数 量在相邻的参考源之间分别用两点定标校正法对输出响应进行校正，则为多点定标校正 2 4 场景统计类非均匀性校正算法 基于参考源的非均匀性校正算法原理简单实用，在工程上得到广泛应用。但实际系统 中，探测单元的响应特性随时间、环境的改变不断变化。因此需要对红外探测器进行周期 性定标，势必增加操作的复杂性。基于此，国内外学者对基于场景的非均匀性校正算法迸 行了大量的研究。该类算法大体分为两类：l 、基于场景统计的( 场景统计类) 非均匀性 校正算法，2 、基于图像配准的非均匀性校正算法。第二类算法中图像配准的精度依赖于 探测器的非均匀性程度，当非均匀性较为恶劣时，算法的校正性能受到很大限制。比较而 言，场景统计类校正算法具有较好的稳健性。因此本节主要介绍场景统计类非均匀性校正 算法。该类算法对实际场景值的分布进行假定，应用统计学的处理方法估计探测器的响应 参数，校正非均匀性。场景统计类的非均匀性校正算法包括有恒定统计法、恒定范围统计 法、卡尔曼滤波法、i c f 算法等。 2 1 中指出，探测器响应输出与入射辐照度近似呈线性关系。因此第n 帧图像中探测 单元( f ，1 的观测输出与接收的红外辐射能量p ，( 竹) 存在如下关系： 一。( 珂) = a o t “( h ) + b “ ( 2 1 7 ) 式中a ，和b o 分别为探测单元的增益和偏置。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 i 恒定统计法 恒定统计法假定：长时间观测之后，每一像元点接收的红外辐射能量在时间维上具有 相同的均值和标准偏差。基于该假定，对探测器响应输出进行一、二阶的统计，可估计出 探测器的响应参数。 假定探测单元服从线性响应模型，第n 帧图像中探测单元( f ，j ) 的观测输出可表示为： 】，。( 门) = a 7 t 。7 ( n ) + b ( 2 1 8 ) 式中a 、b 、t 。意义同上。方便起见，r 。( n ) 、a ”、b u 、y 1 一( ) 分别用t ( n ) 、 a 、b 、y ( n ) 表示。 观测输出r ( n ) 的均值、方差分别为： m ，= e 【y ( ，z ) 】= e a t ( n ) + b 】= 一e 【丁( 疗) 】+ b ( 2 1 9 ) 盯；= v a r y ( n ) 】- v a r a t ( n ) + b = a 2 昕2 ( 2 2 0 ) 假定探测单元接受红外辐射能量均值为零，则可从( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 得到探测单元 响应参数： b = m 。( 2 2 1 ) a ：旦( 2 2 2 ) 听 此处采用厶模的标准偏差代替常用的厶模的标准偏差，在相同估计性能的前提下减小 了计算量和计算过程中值逸出的可能性，并增加了电路的可实现性。由厶模的标准偏差可 得： 唧= 如y ( f ) 一聊悱知心r ) 陋血， ( 2 2 3 ) 则增益为： a ：童( 2 2 4 ) s r 进一步假定接收红外能量的标准偏差为1 ，则校正输出为： 于；y - m y( 2 2 5 ) 唧 上式中均值