CN104406697A - 红外焦平面阵列校正方法 - Google Patents

Abstract

一种红外焦平面阵列校正方法，包括，1)根据不同环境温度下均匀图像的标准灰度值和温感值对探测器进行分区，获取每个区对应的区参数并保存；2)计算自动调零过程中所采集均匀图像的平均灰度值，判断平均灰度值与当前所使用的区参数中的标准灰度值的差值是否大于预设灰度值阈值，若是，则进行积分时间调整，并记录积分时间调整量及调整次数；3)判断累积积分时间调整量是否大于预设积分时间阈值，若是执行步骤4)，否则执行步骤2)；4)匹配当前环境温度下的当前平均灰度值和当前温感值与每个区中所保存的标准灰度值和温感值，匹配出最接近的区，调取最接近的区中保存的参数作为探测器当前使用的参数，从而在更宽的温度下输出高质量图像。

Description

红外焦平面阵列校正方法

技术领域

本发明涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种可以自适应调区的红外焦平面阵列校正方法。

背景技术

在红外成像系统中，红外焦平面阵列由于制造技术、工艺和材料的原因，存在一定的非均匀性，这些非均匀性的存在会影响系统的成像质量。目前工程上广泛应用的提高红外成像系统输出图像质量的方法是基于定标的两点校正，而两点校正存在的缺点是获得的图像灰度有效动态范围有限。考虑到积分时间和焦平面探测器输出之间满足正比的关系，目前红外成像系统通过调节积分时间的方法来扩大动态范围；但是在辐照度不变的情况下，积分时间等比增加，而灰度值变化并不等比增加，同时每个探测元的响应也有一定差异，所以积分时间变化较小时对输出图像的非均匀性影响不是很大，但是当积分时间变化较大时，输出图像会出现非均匀性。

探测元响应与积分时间的关系：

$V_s=(V_{s1}-V_{s1})A_R{A}_{\mathrm{DIF}}=i_{\mathrm{out}}\frac{t_{\mathrm{int}}}{C_{\mathrm{fb}}}{A}_R{A}_{\mathrm{DIF}}$

V_s为探测元响应；V_s1和V_s2为信号积分开始时和信号积分结束时焦平面探测器的输出；A_R、A_DIF分别为读出电路和差分前置放大器的增益；i_out为探测器的电流；t_int为积分时间，C_fb为积分电容。从上式中可以看出，在焦平面探测器的线性工作范围内，探测器的输出与积分时间成正比，根据上式可以认为在正常工作范围内，积分时间不会引入输出图像非均匀性；但是探测器的输出信息中包含了各种噪声，不同积分时间下噪声的响应值不同，从而引入图像的非均匀性，影响非均匀性校正精度。

因此，需要提供一种红外焦平面阵列校正方法，可以在定标两点校正的基础上进行自适应积分时间调整，实现使用过程中仪器参数的调节和改变不会影响输出图像质量，又可以加宽输出图像灰度的有效动态范围，并满足图像对非均匀性的要求。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中定标两点校正会引入图像的非均匀性、且输出图像灰度的有效动态范围有限的技术问题，提供一种红外焦平面阵列校正方法，通过自适应调区的方法保证使用过程中探测器参数的调节和改变不会影响输出图像质量，又可以加宽输出图像灰度的有效动态范围，并满足图像对非均匀性的要求，方法简单灵活，易于实现。

为实现上述目的，本发明提供了一种红外焦平面阵列校正方法，包括，(1)根据不同环境温度下均匀图像的标准灰度值和温感值对探测器进行分区，获取每个区对应的区参数并保存，其中所述区参数至少包括温感值、标准灰度值以及积分时间；(2)计算自动调零过程中所采集均匀图像的平均灰度值，判断所述平均灰度值与当前所使用的区参数中的标准灰度值之间的差值是否大于预设灰度值阈值，若是，则进行积分时间调整，并记录积分时间调整量以及调整次数；(3)判断累积积分时间调整量是否大于预设积分时间阈值，若是则执行步骤(4)，否则返回执行步骤(2)；(4)匹配当前环境温度下均匀图像的平均灰度值和温感值与步骤(1)中每个区中所保存的标准灰度值和温感值，匹配出最接近的区，调取所述最接近的区中保存的参数作为探测器当前使用的参数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在定标两点校正的基础上进行自适应积分时间调整，积分时间调节到一定大小后为了避免非均匀性对输出结果的影响探测器可以根据实际获得的温感值和图像灰度值在预设的档位之间自动调取预存的参数，增大了红外探测器的成像动态范围，提高其环境适应性，使得红外探测器可以在更宽的温度下输出高质量图像。

附图说明

图1，本发明所述的红外焦平面阵列校正方法一实施方式的流程示意图；

图2，本发明所述分区过程一实施例的流程示意图；

图3，本发明所述自动调区过程一实施例的流程示意图。

具体实施方式

作为热成像系统，红外探测器长时间工作后会引起系统内部温度的变化，同时外部环境温度也会对探测器成像结果产生影响，这些温度变化都会对探测器的响应产生一定的影响，改变探测器内部的温感值，同时引起输出图像的变化。考虑到上述因素，本发明提供了一种红外焦平面阵列校正方法，具体包括以下步骤：分区及各区参数设置；积分时间的调整；自适应调区。下面结合附图对本发明提供的红外焦平面阵列校正方法做详细说明。

参考图1，本发明所述的红外焦平面阵列校正方法一实施方式的流程示意图。本实施方式所述方法包括如下步骤。S11：根据不同环境温度下均匀图像的标准灰度值和温感值对探测器进行分区，获取每个区对应的区参数并保存；S12：计算自动调零过程中所采集均匀图像的平均灰度值，判断所述平均灰度值与当前所使用的区参数中的标准灰度值之间的差值是否大于预设灰度值阈值，若是，则进行积分时间调整，并记录积分时间调整量以及调整次数；S13：判断累积积分时间调整量是否大于预设积分时间阈值，若是则执行步骤S14，否则返回执行步骤S12；S14：匹配当前环境温度下均匀图像的当前平均灰度值和当前温感值与步骤S11中每个区中所保存的标准灰度值和温感值，匹配出最接近的区，调取所述最接近的区中保存的参数作为探测器当前使用的参数。以下对在本实施方式所述方法进行详细描述。

S11：根据不同环境温度下均匀图像的标准灰度值和温感值对探测器进行分区，获取每个区对应的区参数并保存。其中所述区参数至少包括温感值、标准灰度值以及积分时间。

在本实施方式中，分区及各区参数设置过程如下所述：(11)根据探测器响应分别获取不同环境温度下均匀图像的平均灰度值作为探测器的相应标准灰度值，并对应获取探测器在不同环境温度下的温感值；例如，根据探测器响应获取环境温度A下均匀图像的平均灰度值A1，以该平均灰度值A1作为探测器在该环境温度A下的标准灰度值，并对应获取探测器在该环境温度A下的温感值A2；根据探测器响应获取环境温度B下均匀图像的平均灰度值B1，以该平均灰度值B1作为探测器在该环境温度B下的标准灰度值，并获取探测器在该环境温度B下的温感值B2；(12)按照标准灰度值和温感值对探测器进行分区，每个区对应相应的积分时间；(13)调节硬件参数，保证每一区内探测器的响应均在其线性范围；(14)保存温感值、标准灰度值、积分时间、相应的硬件参数等作为区参数。其中，所述均匀图像可以通过以下操作预先获取：对不同的环境温度，调节探测器的积分时间和相应的硬件参数保证探测器输出稳定图像后对其进行非均匀性校正(例如两点校正)。获取所述均匀图像后可以将非均匀性校正参数(例，两点校正参数)进行保存作为区参数之一。各区的区参数固定保存在内存中，以便在自适应调区时使用。

S12：计算自动调零过程中所采集均匀图像的平均灰度值，判断所述平均灰度值与当前所使用的区参数中的标准灰度值之间的差值是否大于预设灰度值阈值，若是，则进行积分时间调整，并记录积分时间调整量以及调整次数。

探测器开机后自动调区，选择一区参数作为探测器当前所使用的区参数。根据探测元响应与积分时间的关系可知探测器的输出和积分时间成正比。在自动调零过程中，采集均匀图像并计算图像平均灰度值，并与当前所使用的区参数的标准灰度值进行比较，以判断是否需要进行积分时间的调整。

在本实施方式中，积分时间的调整过程如下所述：当所述平均灰度值与所述标准灰度值的差异在预设灰度值阈值范围内(例：|平均灰度值-标准灰度值|<200)时，认为当前积分时间可以满足系统要求，不调整积分时间；否则需要进行积分时间调整。其中，积分时间调整量与计算所得平均灰度值和相应标准灰度值之间的差值的绝对值成正比，若所述差值大于0则减少积分时间，若所述差值小于0则增加积分时间。也即，如果计算所得平均灰度值比相应标准灰度值大，且大于预设灰度值阈值，则认为后续需要减小积分时间；反之如果相应标准灰度值比计算所得平均灰度值大，且大于预设灰度值阈值，需要增大积分时间。每次进行积分时间调整时，记录一次调整次数，调区后调整次数值归零，从新开始计算。

理论上积分时间调整量按照如下公式计算：

$\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;=\mathrm{\&Delta;}{V}_s.\frac{C_{\mathrm{fb}}}{i_{\mathrm{out}}{A}_R{A}_{\mathrm{DIF}}}$

Δt为积分时间调整的大小，ΔV_s＝V_s当前-V_s定标，对于某一台固定的红外探测器，参数为一固定的输出，所以积分时间调整量可以根据灰度值的变化快速计算得到。

这里V_s为与平均灰度值Δavg有关的量，即积分时间调整量可以用下式表示

$\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;=K.\mathrm{\&Delta;avg}.\frac{C_{\mathrm{fb}}}{i_{\mathrm{out}}{A}_R{A}_{\mathrm{DIF}}}$

其中V_s＝K.avg，Δavg＝avg_当前-avg_定标。

根据积分时间调整量计算结果确定积分时间应该增加或者减小。如果Δavg＞0，表示积分时间需要减小，Δavg＜0，表示积分时间需要增加。

为了保证输出的稳定性，作为优选的实施方式，积分时间调节过程中采用下式进行拟合平滑滤波，并根据滤波后的结果获得实际的积分调整量：

Δt＝k₁Δt₁+k₂Δt₂+k₃Δt₃

其中，Δt为实际的积分时间调整量，Δt₃为根据当前帧数据计算所得积分调整量，Δt₁和Δt₂为与当前帧相邻的前两帧数据计算所得积分调整量；k₁、k₂、k₃为平滑系数，三者满足：k₁+k₂+k₃＝1且0≤k₁＜k₂＜k₃＜1。

如果上式所得实际的积分时间调整量Δt＜2μs，则不进行积分时间的调整，否则以所述实际的积分调整量调整积分时间。

S13：判断累积积分时间调整量是否大于预设积分时间阈值，若是则执行步骤S14，否则返回执行步骤S12。

根据所记录的积分时间调整量，累积计算积分时间调整量；如果累积积分时间调整量超过一定的范围(例如：超过15μs)，则认为调整积分时间会引入输出图像的非均匀性问题，此时为了保证输出图像的质量需要对红外探测器进行自适应调区，改变积分时间和两点校正参数，提高当前情况下的图像质量。

S14：匹配当前环境温度下均匀图像的当前平均灰度值和当前温感值与步骤S11中每个区中所保存的标准灰度值和温感值，匹配出最接近的区，调取所述最接近的区中保存的参数作为探测器当前使用的参数。

如果累积积分时间调整量超过预设积分时间阈值(例如：15μs)，则认为调整积分时间会引入输出图像的非均匀性问题；此时为了保证输出图像的质量需要对当前红外探测器输出图像的亮度值(灰度信息)进行分析，根据当前获取的均匀图像的平均灰度值和当前的温感值确定需要调取的参数所在的区，并调取该区中保存的参数作为探测器当前使用的参数；需要调取的参数包括两点校正参数、相应的硬件参数、积分时间等。

在本实施方式中，自适应调区过程如下所述：(41)将当前平均灰度值和当前温感值之和分别与每个区中所保存的标准灰度值和温感值之和进行比较，获取第一差值绝对值最小时所对应的区作为所述最接近的区；若第一差值绝对值最小时所对应的区包括至少2个区，则进一步执行：(42)将当前温感值分别与第一差值绝对值最小时所对应的多个区中所保存的温感值进行比较，获取第二差值绝对值最小时所对应的区作为所述最接近的区；若第二差值绝对值最小时所对应的区包括至少2个区，则进一步执行：(43)获取第二差值绝对值最小的多个区中温感值对应温度最低的区作为所述最接近的区。

通过本发明提供的红外焦平面阵列校正方法，在定标两点校正的基础上进行自适应积分时间调整，积分时间调节到一定大小后为了避免非均匀性对输出结果的影响，探测器可以根据实际获得的温感值和图像平均灰度值在预先存储的各区之间自动调取预存的区参数，保证使用过程中仪器参数的调节和改变不会影响输出图像质量，又可以加宽输出图像的有效动态范围，并满足图像对非均匀性的要求，简单灵活，易于实现。

以下结合附图1-3给出本发明红外焦平面阵列校正方法一实施例，以对本发明作进一步解释。

分区及各区参数设置

参考图2，本发明所述分区流程示意图；具体流程为：实验室环境温度下，调节探测器积分时间和相应的硬件参数，保证探测器输出稳定图像，确定积分时间和相应硬件参数；对输出图像做两点校正得到均匀图像，同时获取两点校正参数；根据探测器的响应，获得探测器对均匀图像的灰度响应均值(也即平均灰度值)作为标准灰度值；并获取当前探测器温感值；将这些参数作为区参数保存；该环境温度下的分区完成。将探测器置于其他环境温度下，按照上述内容完成其他区参数的设置和保存。

使用过程中对积分时间的调整和自适应调区

图3，本发明所述自动调区过程一实施例的流程示意图，具体流程如下所述。

(1)探测器开机后自动调区，选择一区参数作为探测器当前所使用的区参数。在自动调零过程中采集均匀图像并计算图像平均灰度值，与当前所使用的区参数的标准灰度值进行比较，根据两者之间的差值判断是否需要调节积分时间。如果两者之间的差异小于预设灰度值阈值，即(avg_当前-avg_定标)＜Threshold₁，此时认为当前参数可以满足系统要求，不进行积分时间调整，否则进行积分时间调整。其中，Threshold₁可以取200。当计算所得平均灰度值大于相应的标准灰度值且大于预设灰度值阈值，也即两者之间的差值大于200，则积分时间减小；反之如果相应标准灰度值比计算所得平均灰度值大且大于预设灰度值阈值，也即两者之间的差值大于200，需要增大积分时间。

理论上的积分时间调整量应保证输出的稳定性，在积分时间调节过程中采用拟合平滑滤波的操作方式获得实际积分时间的调整量，可以参照上述实施方式中步骤S12所述，此处不再赘述。每次进行积分时间调整时，积分时间调整量记为t_i，其中i为调整次数，调区后积分时间的调整次数值归零，从新开始计算。

(2)累积积分时间调整量Sum＝Σt_i，如果Sum超出一定的范围，即累积积分时间调整量大于积分时间阈值，即Sum＞Threshold₂，则认为此时调整积分时间会引起输出图像的非均匀性问题，需要采用调区的方式改变积分时间和两点校正参数，提高当前情况下的图像质量。调区后累积积分时间调整量Sum归零，从新开始计算。其中，Threshold₂可以取15μs。

(3)根据当前平均灰度值和当前温感值确定需要调取的区参数。将当前环境温度下均匀图像的平均灰度值和温感值与每个区中保存的标准灰度值和温感值进行比较，调取二者差值绝对值最小时所对应的区中保存的参数作为当前探测器使用的参数。

以下为自适应调区的参数获取过程：

min(abs((Temp_prst+Avg_prst)-(Temp_n+Avg_n)))

根据上式获得与当前环境温度下均匀图像的平均灰度值和温感值(Temp_prst+Avg_prst)差异最小的区n，并调取该区中保存的参数。

如果比较过程中存在如下现象：

abs((Temp_prst+Avg_prst)-(Temp_n+Avg_n))＝abs((Temp_prst+Avg_prst)-(Temp_m+Avg_m))

此时需要进一步判断：

min(abs((Temp_prst-Temp_n)，abs((Temp_prst-Temp_m))

据上式获得与当前环境温度下均匀图像的温感值Temp_prst差异较小的区(n或m)，并调取其中保存的参数。

如果在温感值比较过程中出现如下现象：

abs(Temp_prst-Temp_n)＝abs((Temp_prst-Temp_m)，此时，调区温感值Temp_n、Temp_m中对应温度低的区参数。

(4)重复上述使用过程中对积分时间的调整和自适应调区中的步骤(1)～(3)，直到探测器使用结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，包括，

(1)根据不同环境温度下均匀图像的标准灰度值和温感值对探测器进行分区，获取每个区对应的参数并保存，其中所述区参数至少包括温感值、标准灰度值以及积分时间；

(2)计算自动调零过程中所采集均匀图像的平均灰度值，判断所述平均灰度值与当前所使用的区参数中的标准灰度值之间的差值是否大于预设灰度值阈值，若是，则进行积分时间调整，并记录积分时间调整量以及调整次数；

(3)判断累积积分时间调整量是否大于预设积分时间阈值，若是则执行步骤(4)，否则返回执行步骤(2)；

(4)匹配当前环境温度下均匀图像的当前平均灰度值和当前温感值与步骤(1)中每个区中所保存的标准灰度值和温感值，匹配出最接近的区，调取所述最接近的区中保存的参数作为探测器当前使用的参数。

2.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：

(11)根据探测器响应分别获取不同环境温度下均匀图像的平均灰度值作为探测器的相应标准灰度值，并对应获取探测器在不同环境温度下的温感值；

(12)按照标准灰度值和温感值对探测器进行分区，每个区对应相应的积分时间；

(13)调节硬件参数，保证每一区内探测器的响应均在其线性范围；

(14)保存温感值、标准灰度值、积分时间、相应的硬件参数作为区参数。

3.根据权利要求2所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，步骤(11)之前进一步包括：

(10)对不同的环境温度，调节探测器的积分时间和相应的硬件参数保证探测器输出稳定图像后，对输出图像进行两点校正获得不同温度下的均匀图像。

4.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，步骤(2)中：所述积分时间调整量与计算所得平均灰度值和相应标准灰度值之间的差值的绝对值成正比，若所述差值大于0则减少积分时间，若所述差值小于0则增加积分时间。

5.根据权利要求4所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，步骤(2)中进一步包括：采用下式进行拟合平滑滤波获取实际的积分调整量：

Δt＝k₁Δt₁+k₂Δt₂+k₃Δt₃，

其中，Δt为实际的积分时间调整量，Δt₃为根据当前帧数据计算所得积分调整量，Δt₁和Δt₂为与当前帧相邻的前两帧数据计算所得积分调整量；k₁、k₂、k₃为平滑系数，三者满足：k₁+k₂+k₃＝1且0≤k₁＜k₂＜k₃＜1。

6.根据权利要求5所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，若所述实际的积分调整量大于等于2μs，则进行积分时间的调整。

7.根据权利要求1所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，步骤(4)中匹配出最接近的区进一步包括：

(41)将当前平均灰度值和当前温感值之和分别与步骤(1)中每个区中所保存的标准灰度值和温感值之和进行比较，获取第一差值绝对值最小时所对应的区作为所述最接近的区。

8.根据权利要求7所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，若步骤(41)中第一差值绝对值最小时所对应的区包括至少2个区，则进一步执行：

(42)将当前温感值分别与第一差值绝对值最小时所对应的多个区中所保存的温感值进行比较，获取第二差值绝对值最小时所对应的区作为所述最接近的区。

9.根据权利要求8所述的红外焦平面阵列校正方法，其特征在于，若步骤(42)中第二差值绝对值最小时所对应的区包括至少2个区，则进一步执行：

(43)获取第二差值绝对值最小时所对应的多个区中温感值对应温度最低的区作为所述最接近的区。