一种非均匀性校正单个偏移参数的校正算法

1.本发明涉及红外焦平面阵列非均匀性校正技术领域，具体为一种非均匀性校正单个偏移参数的校正算法。


背景技术：

2.红外焦平面阵列广泛应用于红外跟踪和制导等领域，理想情况下，同一焦平面的各个像元对一个均匀且稳定的辐射目标的响应是一致的。但是由于空间噪声和瞬态随机噪声的影响，这些像元的响应值之间会有不同程度的差别。这种差别主要是由于各像元之间的非均匀性造成的，可以通过将每个像元的响应曲线校正到一个标准曲线上的方法来减弱这样的差别，也就是所谓的非均匀性校正方法。
3.改善探测器信号非均匀性一般来说有两种方法：一种改善探测器生产工艺、读出电路设计来和探测器耦合方法，以降低输出信号的非均匀性；另一种是采用后续图像处理电路对探测器在相同辐射强度下不同的响应值进行补偿的方法。相比而言，后一种方案效果显著并更易实现，深受各研究单位的重视。


技术实现要素：

4.为了解决非制冷型红外焦平面阵列探测器在同一均匀辐射条件下各探测单元响应输出不同的技术问题，本发明提供一种非均匀性校正单个偏移参数的校正算法。
5.一种非均匀性校正单个偏移参数的校正算法，所述校正算法包括如下步骤：
6.步骤1，通过采集标准校正参考源在低温和高温情况下非制冷红外焦平面阵列上任一个像元的响应值，计算得到隶属于像元的校正系数；
7.步骤2，构造像元响应模型中单偏移校正参数存储模型，该单偏移校正参数存储模型包括：校正响应增益系数存储模型＝{隶属于像元的采集数据地址，校正响应增益系数，隶属于校正响应增益系数的提取参数}，校正响应偏置系数存储模型＝{隶属于像元的采集数据地址，校正响应偏置系数，隶属于校正响应偏置系数的提取参数}；
8.聚合单偏移校正参数存储模型生成复合校正存储模型＝{隶属于像元的采集数据地址，隶属于复合校正系数的提取参数，校正响应增益系数存储模型，校正响应偏置系数存储模型}；
9.步骤3，获取非制冷红外焦平面阵列上隶属于像元的采集数据地址、与在辐射通量φk下的响应值rvk；
10.调用与像元的采集数据地址对应的复合校正存储模型，在隶属于复合校正系数的提取参数的参与作用下，若采集数据地址识别确认成功，则从复合校正存储模型中提取出单偏移校正参数存储模型；
11.在隶属于单偏移参数的提取参数的参与作用下，若采集数据地址识别确认成功，则从单偏移校正参数存储模型中提取出校正响应增益系数和校正响应偏置系数，据此输出响应值rvk的校正值e
rv
(φk)。
12.优选的，所述校正响应增益系数存储模型为存储模型smg，其生成步骤如下：
13.设定存储模型smg的存储系数gr，然后执行如下的计算过程：
14.基于存储系数gr的第一提取参数gr；
15.基于存储系数gr的第二提取参数gh；
16.基于存储系数gr的第三提取参数gv；
17.输出存储模型smg为{隶属于像元的采集数据地址，校正响应增益系数，第一提取参数gr，第三提取参数gv}。
18.优选的，所述校正响应偏置系数存储模型为存储模型sm
of
，其具体生成步骤如下：
19.设定存储模型sm
of
的存储系数or，然后执行如下的计算过程：
20.基于存储系数or
ppij
的第一提取参数or；
21.基于存储系数or
ppij
的第二提取参数oh；
22.基于存储系数or
ppij
的第三提取参数ov；
23.输出存储模型sm
ofppij
为{隶属于像元的采集数据地址，校正响应偏置系数，第一提取参数or，第三提取参数ov}。
24.优选的，所述复合校正存储模型为存储模型sm，其具体生成步骤如下：
25.根据存储模型smg的第一提取参数gr和存储模型sm
of
的第一提取参数or，计算像元的复合校正偏移参数的第一提取参数r＝ghgr+ohor；
26.根据存储模型smg的第三提取参数gv和存储模型sm
of
的第三提取参数ov，计算像元的复合校正偏移参数的第三提取参数v＝gv+ov；
27.输出存储模型sm为{隶属于像元的采集数据地址，第一提取参数r，第三提取参数v，存储模型smg，存储模型sm
of
}。
28.优选的，提取单偏移校正参数存储模型的具体方法如下：
29.计算像元的复合校正偏移参数的第一识别系数m1，其具体计算结果如下：
30.m1＝e(v，p)；
31.像元的复合校正偏移参数的第二识别系数m2，其具体计算结果如下：
32.m2＝e(2q，p)e(t，r)e(q，2xp)；
33.其中，x为像元的校正偏移参数的存储标记；
34.若第一识别系数m1与第二识别系数m2相等，则提取存储模型smg和存储模型sm
of
。
35.与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
36.本发明：利用标准校正参考源提供给非制冷红外焦平面阵列均匀入射辐射通量，测量每个探测单元输出响应，并按照线性假设条件对非制冷红外焦平面阵列的响应曲线进行拟合，根据拟合曲线计算探测器各个单元在入射辐照度变化后非均匀校正参数，通过构造像元响应模型中单偏移校正参数存储模型、把单偏移参数存储模型聚合生成复合校正存储模型，根据像元和采集数据地址获取复合校正存储模型，从复合校正存储模型中提取单偏移校正参数存储模型，从单偏移校正参数存储模型中提取单个校正偏移参数，整个提取过程经过若干次的识别确认，有效地保证了非制冷红外焦平面阵列上任一探测单元校正结果的准确性。
附图说明
37.图1为数字图像处理模块的结构图。
具体实施方式
38.实施例1：
39.红外成像系统包括非制冷焦平面阵列型红外探测器、模拟信号处理模块、数字图像处理模块、电源控制模块和监视器，其中，数字图像处理模块的结构如图1所示，数字图像处理模块使用fpga芯片作为核心处理器，fpga芯片一方面通过视频帧存取控制口与用于存储经ad转换后数字图像数据的sd ram进行数据交互、另一方面通过视频帧存取控制口与用于存储非均匀校正数据和硬件程序的sram进行数据交互；并且fpga芯片一方面采用uart接口与运行有非均匀性校正算法的pc机进行数据交互、另一方面采用da接口把标准视频图像信号传输至监视器；
40.数字图像处理模块还包括电源管理电路部分，fpga芯片通过电源管理接口与电源控制模块进行数据交互；
41.在pc机上运行有非均匀性校正单个偏移参数的校正算法，该校正算法包括如下具体实施步骤：
42.步骤1，在光路中插入均匀辐射的标准校正参考源，依次采集标准校正参考源在低温t
l
和高温th情况下非制冷红外焦平面阵列上任一个像元的响应值，具体实施步骤如下：
43.步骤1-1，设定在低温t
l
时标准校正参考源的辐射通量为φ
l
、在高温th时标准校正参考源的辐射通量为φh；
44.步骤1-2，设定非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元为pp
ij
，并且像元pp
ij
的采集数据地址标记为id
ppij
∈{0，1}n，n表示固定长度；
45.步骤1-3，构造非制冷红外焦平面阵列上像元的响应模型，该响应模型基于如下假设条件：非制冷红外焦平面阵列上任一个像元在一定积分时间内对暗电流和背景噪声的响应为固定值，非制冷红外焦平面阵列上任一个像元的响应值与辐射源辐射波长无关，仅与光强度相关，且与辐照强度呈线性关系；
46.基于上述假设条件的像元响应模型为：
47.rv
ij
(φ)＝g
ij
×
φ+of
ij
ꢀꢀ
(1)
48.式(1)中，φ为均匀辐射源辐射通量；
49.rv
ij
(φ)为辐射通量为φ时，非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元的响应值；
50.g
ij
为非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元的响应增益系数；
51.of
ij
为非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元的响应偏置系数；
52.步骤1-4，获取非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元pp
ij
在辐射通量φ
l
下的响应值rv
l-ppij
、在辐射通量φh下的响应值rv
h-ppij
，根据步骤1-3的像元响应模型获得像元pp
ij
的响应方程，该响应方程具体如下：
53.rv
l-ppij
＝g
ppij
×
pp
ij
(φ
l
)+of
ppij
ꢀꢀ
(2)
54.rv
h-ppij
＝g
ppij
×
pp
ij
(φh)+of
ppij
ꢀꢀ
(3)
55.式(2)和(3)中，g
ppij
为非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元pp
ij
的校正响应增益系数，of
ppij
为非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元pp
ij
的校正响应偏置系数；
56.步骤1-5，输出隶属于平面探测器上第i行第j列像元pp
ij
的单个偏移参数的校正结果，其具体的实施步骤如下：
57.通过求解像元pp
ij
的响应方程(2)和(3)，输出像元pp
ij
的单个偏移参数-校正响应增益系数g
ppij
，其具体计算过程如下：
58.g
ppij
＝(rv
h-ppij-rv
l-ppij
)/(pp
ij
(φh)-pp
ij
(φ
l
))
ꢀꢀ
(4)
59.通过求解像元pp
ij
的响应方程(2)和(3)，输出像元pp
ij
的单个偏移参数-校正响应偏置系数of
ppij
，其具体计算过程如下：
60.of
ppij
＝{rv
h-ppij
pp
ij
(φ
l
)-rv
l-ppij
pp
ij
(φh)}/(pp
ij
(φh)-pp
ij
(φ
l
))
ꢀꢀ
(5)
61.实施例2：
62.首先构造像元响应模型中单个偏移参数的存储模型、然后聚合生成复合校正偏移参数的存储模型，其具体实施步骤如下：
63.步骤2-1，定义公开参数pps＝{g
t
，g1，g2，e，n1，p，p，q，h0，h1，h2}，其中的各个参数具体含义如下：
64.g
t
是n1阶循环群，g1和g2是阶为p的乘法群，g1和g2的生成元分别为p和q，e表示双线性映射：g1×
g2→gt
，双线性映射e满足下述条件：
65.(1)对于任意a,b∈z
n1
＝{0,1,2,
…
,n
1-1}，e(pa，qb)＝e(p，q)
ab
；
66.(2)存在u∈g1，v∈g2，使得e(u，v)≠0，其中0是单位元；
67.(3)对于所有的u∈g1，v∈g2，可以计算得到e(u，v)；
68.h0表示散列函数：{0，1}*
→zp*
＝{0,1,2,
…
,p-1}，*表示任意长度；
69.h1表示散列函数：{0，1}*
×
g1→
g2；
70.h2表示散列函数：{0，1}*
→
g1；
71.步骤2-2，首先设定像元pp
ij
的校正偏移参数的存储标记x
ppij
∈z
p*
＝{0,1,2,
…
,p-1}，然后计算像元pp
ij
的校正偏移参数的第一提取系数p
ppij
＝x
ppij
p和第二提取系数t
ppij
＝h2(p)，并且计算像元pp
ij
的校正偏移参数的提取标记q
ppij
＝h1(id
ppij
||p
ppij
)；
72.其中，||表示字符串连接；
73.步骤2-3，根据像元pp
ij
的采集数据地址id
ppij
，生成像元pp
ij
的校正响应增益系数g
ppij
的存储模型sm
gppij
，其具体生成步骤如下：
74.首先设定存储模型sm
gppij
的存储系数gr
ppij
∈z
p*
＝{0,1,2,
…
,p-1}，然后执行如下的计算过程：
75.基于存储系数gr
ppij
的第一提取参数gr
ppij
＝gr
ppij
p；
76.基于存储系数gr
ppij
的第二提取参数gh
ppij
＝h0(id
ppij
||g
ppij
||p
ppij
||gr
ppij
)；
77.基于存储系数gr
ppij
的第三提取参数gv
ppij
＝q
ppij
+gh
ppij
gr
ppij
t
ppij
+x
ppij
q；
78.输出存储模型sm
gppij
为{pp
ij
，id
ppij
，g
ppij
，gr
ppij
，gv
ppij
}；
79.步骤2-4，根据像元pp
ij
的采集数据地址id
ppij
，生成像元pp
ij
的校正响应偏置系数of
ppij
的存储模型sm
ofppij
，其具体生成步骤如下：
80.首先设定存储模型sm
ofppij
的存储系数or
ppij
∈z
p*
＝{0,1,2,
…
,p-1}，然后执行如下的计算过程：
81.基于存储系数or
ppij
的第一提取参数or
ppij
＝or
ppij
p；
82.基于存储系数or
ppij
的第二提取参数oh
ppij
＝h0(id
ppij
||of
ppij
||p
ppij
||or
ppij
)；
83.基于存储系数or
ppij
的第三提取参数ov
ppij
＝q
ppij
+oh
ppij
or
ppij
t
ppij
+x
ppij
q；
84.输出存储模型sm
ofppij
为{pp
ij
，id
ppij
，of
ppij
，or
ppij
，ov
ppij
}；
85.步骤2-5，生成像元pp
ij
的复合校正偏移参数的存储模型sm
ppij
，其具体生成步骤如下：
86.根据存储模型sm
gppij
的第一提取参数gr
ppij
和存储模型sm
ofppij
的第一提取参数or
ppij
，计算像元pp
ij
的复合校正偏移参数的第一提取参数r
ppij
＝gh
ppij
gr
ppij
+oh
ppij
or
ppij
；
87.根据存储模型sm
gppij
的第三提取参数gv
ppij
和存储模型sm
ofppij
的第三提取参数ov
ppij
，计算像元pp
ij
的复合校正偏移参数的第三提取参数v
ppij
＝gv
ppij
+ov
ppij
；
88.输出存储模型sm
ppij
为{pp
ij
，id
ppij
，r
ppij
，v
ppij
，存储模型sm
gppij
，存储模型sm
ofppij
}，该存储模型sm
ppij
存储在sram中。
89.实施例3：
90.采用存储模型sm
ppij
对非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元pp
ij
在任一辐射通量φk(φ
l
≤φk≤φh)下的响应值rv
k-ppij
进行校正后输出，其具体的实施步骤如下：
91.获取非制冷红外焦平面阵列上第i行第j列像元pp
ij
在任一辐射通量φk(φ
l
≤φk≤φh)下的响应值rv
k-ppij
，同步地fpga芯片通过时序控制获得像元pp
ij
的采集数据地址id
ppij
；
92.实施例4：
93.根据像元pp
ij
和采集数据地址id
ppij
，fpga芯片从sram中读取得到对应的存储模型sm
ppij
＝{pp
ij
，id
ppij
，r
ppij
，v
ppij
，存储模型sm
gppij
，存储模型sm
ofppij
}、并从中提取存储模型sm
gppij
和存储模型sm
ofppij
，其具体的实施步骤如下：
94.根据已知的信息(公开参数pps、像元pp
ij
、采集数据地址id
ppij
、第一提取系数p
ppij
、第二提取系数t
ppij
、提取标记q
ppij
)，fpga芯片具体执行下述计算过程：
95.像元pp
ij
的复合校正偏移参数的第一识别系数m1，其具体计算结果如下：
96.m1＝e(v
ppij
，p)；
97.像元pp
ij
的复合校正偏移参数的第二识别系数m2，其具体计算结果如下：
98.m2＝e(2q
ppij
，p)e(t
ppij
，r
ppij
)e(q，2p
ppij
)；
99.若第一识别系数m1与第二识别系数m2相等，则提取存储模型sm
gppij
和存储模型sm
ofppij
；
100.其中，第一识别系数m1与第二识别系数m2的方案可行性验证过程如下：
101.m1＝e(v
ppij
，p)
102.＝e(gv
ppij
+ov
ppij
，p)
103.＝e(gh
ppij
gr
ppij
t
ppij
+oh
ppij
or
ppij
t
ppij
+2q
ppij
+2x
ppij
q，p)
104.＝e((gh
ppij
gr
ppij
+oh
ppij
or
ppij
)t
ppij
，p)e(2q
ppij
，p)e(2x
ppij
q，p)
105.＝e(t
ppij
，(gh
ppij
gr
ppij
+oh
ppij
or
ppij
)p)e(2q
ppij
，p)e(2x
ppij
q，p)
106.＝e(t
ppij
，r
ppij
)e(2q
ppij
，p)e(2x
ppij
q，p)
107.＝e(t
ppij
，r
ppij
)e(2q
ppij
，p)e(q，2p
ppij
)＝m2。
108.实施例5：
109.fpga芯片根据存储模型sm
gppij
，计算校正响应增益系数g
ppij
的第一识别系数gm1和第二识别系数gm2，具体执行下述计算过程：
110.第一识别系数gm1＝e(gv
ppij
，p)；
111.第二识别系数gm2＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，gh
ppij
gr
ppij
)e(q，p
ppij
)；
112.若校正响应增益系数g
ppij
的第一识别系数gm1与第二识别系数gm2相等，则从存储模型sm
gppij
中提取校正响应增益系数g
ppij
；
113.其中，第一识别系数gm1与第二识别系数gm2的方案可行性验证过程如下：
114.gm1＝e(gv
ppij
，p)
115.＝e(q
ppij
+gh
ppij
gr
ppij
t
ppij
+x
ppij
q，p)
116.＝e(q
ppij
，p)e(gh
ppij
gr
ppij
t
ppij
，p)e(x
ppij
q，p)
117.＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，gh
ppij
gr
ppij
p)e(q，x
ppij
p)
118.＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，gh
ppij
gr
ppij
)e(q，x
ppij
p)＝gm2；
119.fpga芯片把校正响应增益系数g
ppij
传输至乘法器。
120.实施例6：
121.fpga芯片根据存储模型sm
ofppij
，，计算校正响应偏置系数of
ppij
的第一识别系数om1和第二识别系数om2，具体执行下述计算过程：
122.第一识别系数om1＝e(ov
ppij
，p)；
123.第二识别系数om2＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，oh
ppij
or
ppij
)e(q，p
ppij
)；
124.若校正响应偏置系数of
ppij
的第一识别系数om1与第二识别系数om2相等，则从存储模型存储模型sm
ofppij
中提取校正响应偏置系数of
ppij
；
125.其中，第一识别系数om1与第二识别系数om2的方案可行性验证过程如下：
126.om1＝e(ov
ppij
，p)
127.＝e(q
ppij
+oh
ppij
or
ppij
t
ppij
+x
ppij
q，p)
128.＝e(q
ppij
，p)e(oh
ppij
or
ppij
t
ppij
，p)e(x
ppij
q，p)
129.＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，oh
ppij
or
ppij
p)e(q，x
ppij
p)
130.＝e(q
ppij
，p)e(t
ppij
，oh
ppij
or
ppij
)e(q，x
ppij
p)＝om2；
131.fpga芯片把校正响应偏置系数of
ppij
传输至加法器；
132.实施例7：
133.根据校正响应增益系数g
ppij
和校正响应偏置系数of
ppij
，输出非制冷红外焦平面阵列上像元pp
ij
在任一辐射通量φk(φ
l
≤φk≤φh)下响应值rv
k-ppij
的校正值e
rv-ppij
(φk)＝g
ppij
×
rv
ppij
(φk)+of
ppij
，至此完成红外图像数据的非均匀性校正处理。