本发明涉及红外成像技术领域，具体涉及一种红外成像系统冷反射黑斑的修复方法。
背景技术：
带有光学系统的制冷型红外成像系统在成像时内部探测器的制冷表面会被前置的某一个光学元件反射，此时探测器会探测到相对环境温度低很多的自身冷表面的信号，在视场中心会形成黑斑，严重影响成像质量和目标识别，这种由于重复反射而引起的成像缺陷，称之为冷反射，也称之为温差再生效应。一般红外焦平面温度控制在90-110k之间，与环境温度为300k的热差较大，极弱的反射也会有较强的冷反射现象。冷反射的控制是制冷型红外光学系统的难点，尤其是对于复杂的变焦光学系统，在变倍过程中的冷像控制难度更大，目前尚无较好的处理方式，只能在设计、镀膜上加以控制，增加了设计和加工难度，且难以彻底去除。传统的非均匀校正算法可在当前温度不变时对冷反射进行修正，但当切换视场位置，成像系统温度随环境温度变化时，冷反射强度也会随之变化，这时传统的非均匀校正算法就不能对冷反射进行完全修正，图像中仍会出现黑斑。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对目前制冷型红外成像系统成像时出现黑斑的问题，提供一种红外成像系统冷反射黑斑的修复方法，能随环境温度变化实现对红外成像系统中冷反射问题的修复，降低光学设计难度与加工工艺要求，减小冷反射对成像的影响，提高图像质量。
本发明的技术方案如下：
一种红外成像系统冷反射黑斑的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)红外成像系统出厂前测试时，当图像出现冷反射黑斑时，针对图像的每一个像素计算其分布参量δi,j，计算方式如下：
δi,j＝xij—xi,j
其中，xi,j为探测器输出任一像素的原始数据，xij为整幅图像的均值；
同时在红外成像系统的存储器中存储所述布参量δi,j，以及此时的温度ts；
(2)红外成像系统出厂前进行非均匀性系数标定时，在红外成像系统的存储器中记录并存储标定时的温度t0；
(3)红外成像系统使用前，开机上电时，先从存储器件中读出存储的所述分布参量δi,j，以及ts、t0，然后进行非均匀校正，记录并存储进行非均匀校正时的温度tc；
(4)红外成像系统使用过程中，按照预设周期进行非均匀校正，在每个非均匀校正周期内，对每一帧图像的每一个像素进行非均匀校正并存储校正结果；
同时获取每次非均匀校正时的系统温度t，并按以下公式计算出温度相关性系数η：
η＝τ[(t-t0)]/[(ts-t0)-(tc-t0)/(ts-t0)]
＝τ(t-tc)/(ts-t0)
其中：
η：表征冷反射黑斑随温度变化的温度相关性系数；
τ：归一化的冷反射强度－温度增益系数；
t：系统当前温度；
t0：探测器出厂标定时的温度；
ts：出厂前计算分布参量δi,j时的温度；
tc：使用前非均匀校正时的温度；
(5)根据步骤(1)得到的布参量δi,j、步骤(4)得到的出温度相关性系数η，对获取的每一帧图像，对其每一个像素(i，j),按以下公式计算出其修复参数δij：
δi,j＝ηδi,j
(6)对步骤(4)得到的每一帧图像的每一个像素的非均匀校正结果，叠加步骤(5)所得的修复参数δi,j，最后输出冷反射黑斑修复后的图像。
本发明同时利用系统温度与冷反射强度的相关性以及冷反射形成的黑斑坐标位置，在图像处理算法中对红外图像中每一个像素生成随温度以及坐标位置变化的冷反射修复参数，实现对红外成像系统中冷反射问题的修复。本发明方法经过验证，能较大程度优化图像显示效果，尤其在系统高温情况下，能对冷反射产生的中心黑斑、边缘发亮的现象进行有效修复，且在正常显示过程中不会引入其它显示问题，相对光学设计、镀膜控制的方法更易实现，使冷反射引起的边缘发亮问题得到解决。
具体实施方式
本发明的红外成像系统冷反射黑斑的修复方法原理如下：
在制冷型红外成像系统的实际应用中，使用前进行非均匀性校正能使校正后的图像均匀，但冷反射形成的黑斑会在使用过程中随着温度的升高越来越明显。由于冷反射形成的黑斑在图像中的位置固定，且黑斑的明显程度与系统温度有相关性，因此，可记录黑斑的坐标位置以及黑斑的强度，在不同温度对冷反射形成的黑斑进行补偿修复。
设探测器获取的每一帧图像的各像素的坐标位置为(i，j)，各像素的原始数据为xi,j,完成非均匀校正后，图像数据为yi,j,记为：
yi,j＝nuc(xi,j)1)
使用本发明的冷反射修复算法，即在原输出图像后叠加一个修复参数δi,j，设修复后的图像数据为y’，则：
y’＝nuc(xi,j)-δi,j2)
本发明中，修复参数δi,j由两部分组成，一部分是表征冷反射黑斑随温度变化的温度相关性系数η，另一部分是表征冷反射黑斑在图像中分布的强度与位置关系的分布参量δi,j。因此，修复参数δi,j定义为：
δi,j＝ηδi,j3)
分布参量δi,j为各像素的原始响应与整幅图像的均值的差：
δi,j＝xij-xi,j(4)
温度相关性系数η与使用时的系统当前温度t、出厂前非均匀校正系数标定时的温度t0、存储冷反射黑斑图像时的温度ts、使用前非均匀校正的温度tc以及冷反射强度与温度增益系数τ有关，表示为：
η＝τ[(t-t0)]/[(ts-t0)-(tc-t0)/(ts-t0)]
＝τ(t-tc)/(ts-t0)5)
其中：
η：温度相关性系数；
τ：归一化的冷反射强度－温度增益系数；
t：系统当前温度；
t0：探测器出厂标定时的温度；
ts：存储冷反射黑斑图样时的温度；
tc：使用前非均匀校正的温度。
归一化的冷反射强度－温度增益系数τ由如下方法获得：
取中心黑斑区域与边角高亮区域图像灰度作差，记为ε，则中心边缘灰度差ε随温度的升高增大，表示为：
ε＝f(t)6)
可通过多项式拟合求得f(t)的表达式：
f(t)＝∑k＝0nωkpk(t)7)
归一化的冷反射强度－温度增益系数由下式求得：
τ＝f(t)/f’(ts)8)
本发明在具体工程应用中使用二阶拟合，得到的归一化的冷反射强度－温度增益系数为：
τ＝0.003612t-0.82739)
本发明在产品使用前，发现冷反射黑斑较明显时，针对各个像素提前存储分布参量δi,j；使用过程中，根据当前温度实时计算温度相关性系数η，随着温度的变化对冷反射黑斑进行实时修复。由温度相关性系数η的定义可知，正常情况下该系数较小，在完成非均匀校正时该系数为0；当温度越高、偏离校正温度越远时，该系数越大，因此能够根据环境温度调整修复参数，对固定图案的冷反射黑斑进行实时修正，获得较好的成像效果。
以上对本发明的原理进行了分析，本发明的具体实现步骤如下：
(1)红外成像系统出厂前测试时，当图像出现冷反射黑斑时，针对图像的每一个像素计算其分布参量δi,j，所述分布参量δi,j表征冷反射黑斑在图像中分布的强度与位置关系，其值为各像素的原始响应与整幅图像的均值的差；设各像素的坐标位置为(i，j)，探测器输出任一像素的原始数据为xi,j，整幅图像的均值为xij，δi,j按上述公式4)计算如下：
δi,j＝xij—xi,j；
在红外成像系统的存储器中存储出现冷反射黑斑图像的每一个像素的布参量δi,j，以及此时的温度ts；
(2)红外成像系统出厂前进行非均匀性系数标定时，在红外成像系统的存储器中记录并存储标定时的温度t0；
(3)红外成像系统使用前开机上电时，先从存储器件中读出存储的所述分布参量δi,j，以及ts、t0；上电后进行非均匀校正时，记录并存储进行非均匀校正时的温度tc；
(4)红外成像系统使用过程中，按照预设周期进行非均匀校正，在每个非均匀校正周期内，按上述公式1)计算每一帧图像的每一个像素的非均匀校正结果；
同时获取每次非均匀校正时的系统温度t，并按公式上述5)计算出温度相关性系数η；
η＝τ[(t-t0)]/[(ts-t0)-(tc-t0)/(ts-t0)]
＝τ(t-tc)/(ts-t0)
其中：
η：表征冷反射黑斑随温度变化的温度相关性系数；
τ：归一化的冷反射强度－温度增益系数，与系统当前温度有关，按上述公式6)-9)计算其值为；
τ＝0.003612t-0.8273
t：系统当前温度；
t0：探测器出厂标定时的温度；
ts：出厂前计算分布参量δi,j时的温度；
tc：使用前非均匀校正时的温度；
(5)根据步骤(1)得到的布参量δi,j、步骤(4)得到的出温度相关性系数η，对获取的每一帧图像，对其每一个像素(i，j),按上述公式3)计算出其修复参数δij；
δi,j＝ηδi,j
(6)对步骤(4)得到的每一帧图像的每一个像素的非均匀校正结果，按上述公式2)叠加步骤(5)所得的修复参数δi,j，最后输出冷反射黑斑修复后的图像。