光电成像——非均匀性校正

1、第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 第6讲 基于参考辐射源的非均匀性校正算法 ? 6.1 非均匀性校正原理非均匀性校正原理 ? 6.2 基于参考辐射源的非均匀性校正基于参考辐射源的非均匀性校正 ? 6.3 一点校正算法一点校正算法? 6.4 两点校正算法两点校正算法第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 6.1 非均匀性校正原理非均匀性校正原理 在红外焦平面阵列中，虽然每一个单元探测器的响应函数是一个非线性函数，但是在一个较小的工作范围内在一个较小的工作范围内，探测器的响应曲线可以近似地看作为直线近似地看作为直线，且假定探测器的响应具有时间上的稳定性时间

2、上的稳定性，则红外焦平面阵列中单个探测器的响应输出可以用一个线性方程来表示线性方程来表示 )()()(,jijijiogS阵列中探测器单元的坐标 在该照度下增益系数（或响应率） 入射到探测器单元上的辐照度 在该照度下偏置（或暗电流） 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 焦平面阵列的非均匀表现为各探测器单元之间各探测器单元之间的差异的差异。 和)(,jig)(,jio)()()(,jijijiogS1灰度灰度2辐照度辐照度 IRFPA 探测器响应曲线的线性模型 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 非均匀性校正的基本设计思想：基本设计思想：)(,jig)

3、(,jio1)(1,jiS jijijiogS,1,1,jijijiogS,2,2, 212,1,jijijiSSg1,1,)(jijijigSo2,2,)(jijijigSo和和对各探测器的对各探测器的两个参数两个参数因此校正的关键关键就是精确地测量出精确地测量出 作作归一化处理归一化处理。)(,jig)(,jio和最直接的方法最直接的方法: 在两个不同的辐照度下 下测出测出和2每个探测器单元的响应单元的响应。则有 和)(2,jiS联立，可得： 或第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 但是，这种方法校正的缺点缺点： 辐照度和输出信号难以同时被精确地测量被精确地测量，而且定

4、标辐射源不稳定的影响很大影响很大，所以实现起来很难很难。于是人们就提出了多种基于参考辐射源的非均匀性校正算基于参考辐射源的非均匀性校正算法法。 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 6.2 基于参考辐射源的非均匀性校正算法基于参考辐射源的非均匀性校正算法 基本思想基本思想：1）利用参考辐射源给红外焦平面阵列提供均匀的辐照度，对每个探测器单元的响应输出进行测量响应输出进行测量； 2）由此计算计算得出各探测器单元的校正参数校正参数；3）当红外焦平面阵列接收到实际目标场景辐照度时，用各探测器单元的相应校正参数对其输出进行实时的校正对其输出进行实时的校正。第第6 6讲讲 非均匀校正

5、非均匀校正光电成像实时处理技术 按参考辐射源定标点的个数分为 一点定标校正 两点定标校正 多点定标校正 一般来说，由于探测器单元的响应特性并非呈理想的直线，所以参考定标点越多，即插值节点越多，校正精度越高。 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 6.3 一点定标校正算法一点定标校正算法算法原理算法原理算法实现算法实现算法分析算法分析第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 算法原理算法原理 假定探测器单元的输出信号与接收到辐照度呈线性关系呈线性关系。选取辐照度 1)(1,jiSNiMjjiSMNS111,1)(1)()()(11,SSDjiji123)(1S

6、)(11S)(13S)(12S123231123作为定标点，对红外焦平面阵列所有探测器单元的输出信号 求平均得求平均得： 其中MN为焦平面阵列中探测单元总数。则任一探测器单元(i,j)输出的平均差值平均差值（即校正系数校正系数）为 各探测器单元响应直线 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 实实 时时 校校 正正 在系统工作过程中，在辐照度 jijijiDSS,)()()(,jiSjiD,)(,jiS下，第(i,j)个探测器单元的输出值 减去减去该探测器单元的校正系数 就得到校正值 为123)(1S)(11S)(13S)(12S123231123一点定标校正算法的优点很明显

7、，它只需测出红外焦平面阵列在只需测出红外焦平面阵列在一个一个均匀辐照度下各个探测器单元的输均匀辐照度下各个探测器单元的输出，即可计算得出校正参数，出，即可计算得出校正参数，定标定标测量容易实现，算法相当简单测量容易实现，算法相当简单。校正示意图第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 但是这种算法的缺点也很大，从算法和示意图中可以看出该算法实质上算法实质上只对器件的偏置作了补偿，而没对增益对器件的偏置作了补偿，而没对增益做校正，即相当于将响应直线作了位置的平移做校正，即相当于将响应直线作了位置的平移。123)(1S)(11S)(13S)(12S123231123校正示意图 当目

8、标辐射度偏离定标点不大时（如图中照度2下），校正效果较好；但是当目标辐照度偏离定标点很大时偏离定标点很大时（如图照度3下），校正的效果就会大大地降低校正的效果就会大大地降低。 123)(1S)(11S)(13S)(12S123231123算法分析算法分析 第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 6.4 两点定标校正算法两点定标校正算法算法原理算法原理算法实现算法实现算法分析算法分析第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 算法原理算法原理 两点校正法是：通过测量阵列中各探测器单元对两个不同两个不同辐照度辐照度的均匀黑体辐射的响应，并由此计算出校正值计算出校正值

9、，从而实现非均匀性校正。 LHLS)(1LS)(3LS)(2LS123HSLH(a) 各探测器单元响应直线LHLS)(1LS)(3LS)(2LS123HSLH(b) 校正直线第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 算法实现 1) 选取两个辐射度定标点选取两个辐射度定标点 LH)(,LjiS)(,HjiSNiMjLjiLSMNS11,)(1NiMjHjiHSMNS11,)(1),(LLS),(HHS和，分别纪录红外焦平面阵列中所有NM个探测单元的输出。 和由 和所确定的直线被用作直线被用作校正校正直线直线。 2) 对这些所有的输出分别作平均作平均，得 第第6 6讲讲 非均匀校正

10、非均匀校正光电成像实时处理技术 3）在一定照度 )(,jiS)(,jiS与其校正值 下，第(i,j)个探测器单元的输出值 之间存在以下比例关系比例关系： )()()()()(,LjiHjiLjijiLHLjiSSSSSSSS)()()()()()()()(,LjiHjiLjiLHLjiLjiHjiLHjiSSSSSSSSSSSS)()(,LjiHjiLHjiSSSSG)()()()(,LjiHjiLjiLHLjiSSSSSSOjijijijiOGSS,)()(可求得和令可简化为：第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 三点校正公式),(),(jiSjiSifMmLMLmMLM

11、MjiSjiSjiSjiSLjiSjiSjiSjiSjiS), (), (), (), (), (), (), (), (), (mmHmmHMHHjiSjiSjiSjiSMjiSjiSjiSjiSjiS), (), (), (), (), (), (), (), (), (),(),(jiSjiSifM其中，需要三个温度参考点图像，高温H，中温M，低温L。判断待校正图像的像素值范围，若小于中温M中对应像素位置的值，用上式。否则，用下式。第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 算法分析 由校正公式和算法示意图可以看出，两点定标线性校正算法侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正

12、侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正，它需要对两个定标点进行测量，对每个探测器单元得到两个校正参数。该算法不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校正正，校正的动态范围动态范围比一点定标线性校正算法明显增大明显增大。 如果探测器单元的响应具有较好的线性度响应具有较好的线性度时，通过两点定标线性校正算法来进行非均匀性校正，可以获得较好的校可以获得较好的校正正效果，且在两个定标点上的校正效果最好且在两个定标点上的校正效果最好。 该算法存储数据量和计算量都较小存储数据量和计算量都较小，对每个探测单元只需存储两个校正参数，完成一次乘法和加法，所以算法用软算法用软

13、件或硬件都易于实现件或硬件都易于实现。第第6 6讲讲 非均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 但两点定标线性校正算法是建立在“探测器单元响应为线性”这一假设的基础上的。在实际情况中在实际情况中，探测器单元的响应通常呈非线性响应通常呈非线性，尤其在辐照度变化范围比较大时，其尤其在辐照度变化范围比较大时，其线性度就更差线性度就更差。因此采用两点定标线性校正算法必然引进误差和残余非均匀性 。LSSH)(SDS)(SDS)(SAS探测器输出探测器响应线性近似校正直线H近似误差显示输出S/S)(/SDS)(SDS处的响应被映射到有误差的显示输出当使用线性算法时，在代替了真实的显示输出第第6 6讲讲 非

14、均匀校正非均匀校正光电成像实时处理技术 LSSH)(SDS)(SDS)(SAS探测器输出探测器响应线性近似校正直线H近似误差显示输出由图还可以看出，响应非线性造成的残余非均匀性与定标响应非线性造成的残余非均匀性与定标位置有很大关系，远离定标点的部分残余非均匀性较大位置有很大关系，远离定标点的部分残余非均匀性较大。当我们将两个定标点的相对距离减小时，可以发现由线性近似造成的近似误差将相应减小。因此，要进一步提高校正因此，要进一步提高校正精度，可以通过在一定的精度，可以通过在一定的响应范围内增加定标点响应范围内增加定标点数数即减小定标点之间即减小定标点之间的距离来实现，这就是多的距离来实现，这就是