一種消除制冷型熱像儀畫面復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，包括以下步驟：(1)確定本方法的實(shí)施硬件環(huán)境：紅外熱像儀、面源黑體、傳感器、上位計(jì)算機(jī)；(2)定位來源；(3)紅外熱像儀正常上電；(4)參數(shù)采集；(5)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立和校正參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)；(6)在紅外探測機(jī)芯組件中設(shè)置消除復(fù)現(xiàn)非均勻性的校正模塊；(7)去除傳感器、面源黑體、上位計(jì)算機(jī)；(8)重啟紅外熱像儀。經(jīng)校正后的輸出圖像畫面清晰、動(dòng)態(tài)范圍高、各像素對(duì)同樣輻射響應(yīng)均勻，可彌補(bǔ)由內(nèi)部雜散輻射等因素造成的圖像缺陷，具備長時(shí)間工作不復(fù)現(xiàn)圖像非均勻性的特性，可提高制冷型熱像儀對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)能力。
【專利說明】
一種消除制冷型熱像儀畫面復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于紅外探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外成像技術(shù)是將目標(biāo)視場內(nèi)各物體表面因溫度或發(fā)射率不同而產(chǎn)生的紅外輻射差異轉(zhuǎn)化為可見圖像的技術(shù)。在軍事領(lǐng)域，紅外成像廣泛應(yīng)用于對(duì)軍事目標(biāo)的搜索、觀瞄、偵察、識(shí)別與跟蹤;對(duì)遠(yuǎn)、中、近程軍事目標(biāo)的監(jiān)視、告警、預(yù)警與跟蹤;紅外成像的精確制導(dǎo);武器平臺(tái)的駕駛、導(dǎo)航;探測隱身武器系統(tǒng)、進(jìn)行光電對(duì)抗等。
[0003]制冷型紅外熱像儀具有更高的溫度敏感性和精度，得到了最廣泛的應(yīng)用。在紅外成像過程中廣泛存在圖像非均勻性，不僅影響圖像的清晰度和靈敏度，而且也大大地限制了紅外熱像儀的動(dòng)態(tài)范圍。以下因素會(huì)導(dǎo)致紅外圖像的非均勻性:
[0004]I)由于工藝水平和其它因素的限制，紅外焦平面探測器中每個(gè)光敏元的響應(yīng)度不可能完全一致，其直流偏置也不同，探測元件中電荷包具有不同傳輸損耗等，這些差別使成像系統(tǒng)即使在均勻的目標(biāo)輻射下，形成的圖像亮度也不一樣。
[0005]2)同時(shí)，由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成像能量分布不均也會(huì)帶來成像的差異。
[0006]3)制冷型熱像儀杜瓦內(nèi)低溫器件持續(xù)工作在80K左右的低溫下，低溫器件經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像反射在焦平面上成像，形成黑斑。
[0007]經(jīng)過常規(guī)的基于定標(biāo)或場景的非均勻性校正算法，可以一定程度上消除紅外圖像的非均勻性。但是隨著使用時(shí)間的增長和工作環(huán)境溫度的提升，紅外圖像會(huì)重新出現(xiàn)具備特定樣式的非均勻性。針對(duì)此復(fù)現(xiàn)的非均勻性，目前對(duì)其機(jī)理沒有較深入研究，也未提出有效的可行的解決方法。
[0008]雜散輻射，也稱為雜光，是指擴(kuò)散于光學(xué)系統(tǒng)像面或者探測器接收面上的非目標(biāo)光線或非成像光線輻射能。紅外成像系統(tǒng)中雜散輻射一般可以分為外部雜散輻射、內(nèi)部雜散輻射和鏡面缺陷造成的散射等三種類型。其中內(nèi)部雜散輻射指內(nèi)部器件表面自發(fā)輻射傳輸?shù)教綔y器表面。內(nèi)部雜散輻射是紅外圖像復(fù)現(xiàn)非均勻性的主導(dǎo)誘因。使用LightTools軟件工具，基于蒙特卡洛方法，對(duì)光線進(jìn)行追跡分析，是一種常見的雜光分析方法。對(duì)內(nèi)部雜散光的分析可以定性的為消除復(fù)現(xiàn)非均勻性提供理論支持。
[0009]因此，亟需研制一種基于對(duì)內(nèi)部雜散光分析的消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性方法，從而消除在制冷型紅外熱像儀工作中的紅外圖像復(fù)現(xiàn)非均勻性。
[0011 ]為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0012]—種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，包括以下步驟:
[0013](I)確定本方法的實(shí)施硬件環(huán)境:紅外熱像儀、面源黑體、傳感器、上位計(jì)算機(jī)；
[0014](2)定位來源:根據(jù)紅外熱像儀中機(jī)芯組件的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照光線逆向追跡和正向追跡的方法定位復(fù)現(xiàn)非均勻性的輻射源，確定雜散光輻射區(qū)域；
[0015](3)紅外熱像儀正常上電，進(jìn)行常規(guī)兩點(diǎn)校正和盲元替換；設(shè)置面源黑體溫度，使紅外熱像儀鏡頭正對(duì)面源黑體；
[0016](4)參數(shù)采集:在紅外熱像儀內(nèi)部設(shè)置傳感器，傳感器的設(shè)置位置和數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)屬性確定；
[0017]利用GP1端口將傳感器數(shù)據(jù)采集至紅外熱像儀處理電路中的FPGA中；
[0018]將上位計(jì)算機(jī)編寫的采集、傳輸程序燒寫在FPGA中，以幀為單位，建立當(dāng)前圖像和當(dāng)前溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)按照時(shí)間戳順序，通過Ivds接口芯片，實(shí)時(shí)將系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)和圖像傳輸給上位計(jì)算機(jī)；
[0019](5)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立和校正參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)；
[0020]上位計(jì)算機(jī)根據(jù)按照固定幀頻，采集系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間的工作參數(shù)和對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)圖像，之后進(jìn)行圖像處理和模型構(gòu)建，利用構(gòu)建的模型生成雜散輻射校正系數(shù)查找表，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)紅外視頻通路中的復(fù)現(xiàn)非均勻性校正消除；
[0021 ]將雜散輻射校正系數(shù)查找表存儲(chǔ)入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化雜散輻射校正系數(shù)查找表;雜散輻射校正系數(shù)查找表的輸入為當(dāng)前工作溫度和當(dāng)前工作時(shí)間，輸出為像素灰度校正系數(shù)參數(shù)；
[0022](6)在紅外探測機(jī)芯組件中設(shè)置消除復(fù)現(xiàn)非均勻性的校正模塊，校正模塊的功能為實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前工作參數(shù)值，訪問存儲(chǔ)的雜散輻射校正系數(shù)查找表以獲得校正系數(shù)，使用此系數(shù)進(jìn)行圖像修正，完成實(shí)時(shí)校正。
[0023](7)去除傳感器、面源黑體、上位計(jì)算機(jī)；
[0024](8)重啟紅外熱像儀。
[0025]進(jìn)一步的，如上所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，步驟(I)中，紅外熱像儀中的機(jī)芯組件用于紅外圖像信號(hào)讀出、常規(guī)非均勻性校正、盲元替換、圖像增強(qiáng)處理;該方法的運(yùn)行平臺(tái)是紅外熱像儀機(jī)芯組件上基于FPGA和N1s軟核實(shí)現(xiàn)的SOPC系統(tǒng)。
[0026]進(jìn)一步的，如上所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，步驟
(2)中，逆向追跡將紅外焦平面陣列作為光源，反向分解出造成雜散輻射的內(nèi)部器件，正向追跡通過設(shè)定這些雜散輻射器件的輻射特性，估算最終由探測器接收到的二維輻射強(qiáng)度分布圖。
[0027]進(jìn)一步的，如上所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，步驟(3)中，控制紅外熱像儀鏡頭和面源黑體之間的距離小于20_。
[0028]進(jìn)一步的，如上所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，步驟(5)中，工作參數(shù)包括工作溫度以及開機(jī)時(shí)間。
[0029]進(jìn)一步的，如上所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，步驟(5)通過一套基于VC+Matlab混合編程的功能軟件實(shí)現(xiàn):
[0030]圖像處理包括首先對(duì)圖像進(jìn)行平臺(tái)直方圖均衡處理;其次按照定位的雜散輻射來源區(qū)域進(jìn)行圖像分割;再次進(jìn)行有雜散輻射區(qū)域和無雜散輻射區(qū)域的圖像灰度均值提?。?br>[0031]模型構(gòu)建的具體方式是進(jìn)行圖像均值和工作溫度以及開機(jī)時(shí)間關(guān)系的曲線擬合，建立復(fù)現(xiàn)非均勻性現(xiàn)象的圖像與工作溫度以及開機(jī)時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型。
[0032]與傳統(tǒng)方式比較，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果如下:
[0033]本發(fā)明提出的方法對(duì)紅外圖像復(fù)現(xiàn)非均勻性進(jìn)行定性分析、模型構(gòu)建和定量消除，經(jīng)校正后的輸出圖像畫面清晰、動(dòng)態(tài)范圍高、各像素對(duì)同樣輻射響應(yīng)均勻，可彌補(bǔ)由內(nèi)部雜散輻射等因素造成的圖像缺陷，具備長時(shí)間工作不復(fù)現(xiàn)圖像非均勻性的特性，避免復(fù)現(xiàn)非均勻性導(dǎo)致圖像中感興趣目標(biāo)被淹沒無法識(shí)別等故障，可提高制冷型熱像儀對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)能力。
【附圖說明】
[0034]圖1為本方法的實(shí)施硬件環(huán)境示意圖。
[0035]圖中:I面源黑體、2紅外熱像儀、3紅外熱像儀中的機(jī)芯組件、4傳感器、5上位計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，本發(fā)明提出方法的實(shí)施時(shí)機(jī)是，使用制冷型紅外熱像儀成像過程中，校正后隨時(shí)間重新出現(xiàn)非均勻性的情況。具體包括以下步驟:
[0038](I)確定本方法的實(shí)施硬件環(huán)境:紅外熱像儀、面源黑體、傳感器、上位計(jì)算機(jī)；
[0039](2)定位來源:光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部雜散輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)最終在紅外焦平面陣列(IRFPA)上形成不均勻的輻射強(qiáng)度分布。在輻射能量不變時(shí)，經(jīng)過常規(guī)非均勻性校正，可以用校正的漂移系數(shù)予以修正，當(dāng)探測器工作參數(shù)變化導(dǎo)致輻射能量發(fā)生變化時(shí)，此分布產(chǎn)生新的變化，造成圖像復(fù)現(xiàn)非均勻性。
[0040]根據(jù)紅外熱像儀中機(jī)芯組件的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照光線逆向追跡和正向追跡的方法定位復(fù)現(xiàn)非均勻性的輻射源，確定雜散光輻射區(qū)域;紅外熱像儀中的機(jī)芯組件用于紅外圖像信號(hào)讀出、常規(guī)非均勻性校正、盲元替換、圖像增強(qiáng)處理;該方法的運(yùn)行平臺(tái)是紅外熱像儀機(jī)芯組件上基于FPGA和N1s軟核實(shí)現(xiàn)的SOPC系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，逆向追跡將紅外焦平面陣列作為光源，反向分解出造成雜散輻射的內(nèi)部器件，正向追跡通過設(shè)定這些雜散輻射器件的輻射特性，估算最終由探測器接收到的二維輻射強(qiáng)度分布圖。
[0041](3)紅外熱像儀正常上電，進(jìn)行常規(guī)兩點(diǎn)校正和盲元替換；設(shè)置面源黑體溫度，使紅外熱像儀鏡頭正對(duì)面源黑體;控制紅外熱像儀鏡頭和面源黑體之間的距離小于20mm。
[0042](4)參數(shù)采集:在紅外熱像儀內(nèi)部設(shè)置傳感器，傳感器的設(shè)置位置和數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)屬性確定；
[0043]由大量實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)現(xiàn)非均勻性與熱像儀內(nèi)部各器件工作參數(shù)變化有關(guān)。為獲得對(duì)應(yīng)某工作參數(shù)的復(fù)現(xiàn)非均勻性圖像，本方法利用GP1端口將傳感器數(shù)據(jù)采集至紅外熱像儀處理電路中的FPGA中；
[0044]將上位計(jì)算機(jī)編寫的采集、傳輸程序燒寫在FPGA中，以幀為單位，建立當(dāng)前圖像和當(dāng)前溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)按照時(shí)間戳順序，通過Ivds接口芯片，實(shí)時(shí)將系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)和圖像傳輸給上位計(jì)算機(jī)；
[0045](5)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立和校正參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)；
[0046]上位計(jì)算機(jī)根據(jù)按照固定幀頻，采集系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間的工作參數(shù)和對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)圖像，之后進(jìn)行圖像處理和模型構(gòu)建，利用構(gòu)建的模型生成雜散輻射校正系數(shù)查找表，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)紅外視頻通路中的復(fù)現(xiàn)非均勻性校正消除；
[0047]將雜散輻射校正系數(shù)查找表存儲(chǔ)入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化雜散輻射校正系數(shù)查找表;雜散輻射校正系數(shù)查找表的輸入為當(dāng)前工作溫度和當(dāng)前工作時(shí)間，輸出為像素灰度校正系數(shù)參數(shù)；
[0048]在本實(shí)施例中，工作參數(shù)包括工作溫度以及開機(jī)時(shí)間。步驟(5)通過一套基于VC+Matlab混合編程的功能軟件實(shí)現(xiàn):圖像處理包括首先對(duì)圖像進(jìn)行平臺(tái)直方圖均衡處理；其次按照定位的雜散輻射來源區(qū)域進(jìn)行圖像分割;再次進(jìn)行有雜散輻射區(qū)域和無雜散輻射區(qū)域的圖像灰度均值提取;模型構(gòu)建的具體方式是進(jìn)行圖像均值和工作溫度以及開機(jī)時(shí)間關(guān)系的曲線擬合，建立復(fù)現(xiàn)非均勻性現(xiàn)象的圖像與工作溫度以及開機(jī)時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型。
[0049](6)在紅外探測機(jī)芯組件中設(shè)置消除復(fù)現(xiàn)非均勻性的校正模塊，校正模塊的功能為實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前工作參數(shù)值，訪問存儲(chǔ)的雜散輻射校正系數(shù)查找表以獲得校正系數(shù)，使用此系數(shù)進(jìn)行圖像修正，完成實(shí)時(shí)校正。
[0050](7)去除傳感器、面源黑體、上位計(jì)算機(jī)；
[0051 ] (8)重啟紅外熱像儀。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)確定本方法的實(shí)施硬件環(huán)境:紅外熱像儀、面源黑體、傳感器、上位計(jì)算機(jī)； (2)定位來源:根據(jù)紅外熱像儀中機(jī)芯組件的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照光線逆向追跡和正向追跡的方法定位復(fù)現(xiàn)非均勻性的輻射源，確定雜散光輻射區(qū)域； (3)紅外熱像儀正常上電，進(jìn)行常規(guī)兩點(diǎn)校正和盲元替換；設(shè)置面源黑體溫度，使紅外熱像儀鏡頭正對(duì)面源黑體； (4)參數(shù)采集:在紅外熱像儀內(nèi)部設(shè)置傳感器，傳感器的設(shè)置位置和數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)屬性確定； 利用GP1端口將傳感器數(shù)據(jù)采集至紅外熱像儀處理電路中的FPGA中； 將上位計(jì)算機(jī)編寫的采集、傳輸程序燒寫在FPGA中，以幀為單位，建立當(dāng)前圖像和當(dāng)前溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)按照時(shí)間戳順序，通過Ivds接口芯片，實(shí)時(shí)將系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)和圖像傳輸給上位計(jì)算機(jī)； (5)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立和校正參數(shù)的計(jì)算、存儲(chǔ)； 上位計(jì)算機(jī)根據(jù)按照固定幀頻，采集系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間的工作參數(shù)和對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)圖像，之后進(jìn)行圖像處理和模型構(gòu)建，利用構(gòu)建的模型生成雜散輻射校正系數(shù)查找表，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)紅外視頻通路中的復(fù)現(xiàn)非均勻性校正消除； 將雜散輻射校正系數(shù)查找表存儲(chǔ)入FPGA片上的RAM和片外的FLASH中，并固化雜散輻射校正系數(shù)查找表;雜散輻射校正系數(shù)查找表的輸入為當(dāng)前工作溫度和當(dāng)前工作時(shí)間，輸出為像素灰度校正系數(shù)參數(shù)； (6)在紅外探測機(jī)芯組件中設(shè)置消除復(fù)現(xiàn)非均勻性的校正模塊，校正模塊的功能為實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前工作參數(shù)值，訪問存儲(chǔ)的雜散輻射校正系數(shù)查找表以獲得校正系數(shù)，使用此系數(shù)進(jìn)行圖像修正，完成實(shí)時(shí)校正。 (7)去除傳感器、面源黑體、上位計(jì)算機(jī)； (8)重啟紅外熱像儀。2.如權(quán)利要求1所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:步驟(I)中，紅外熱像儀中的機(jī)芯組件用于紅外圖像信號(hào)讀出、常規(guī)非均勻性校正、盲元替換、圖像增強(qiáng)處理;該方法的運(yùn)行平臺(tái)是紅外熱像儀機(jī)芯組件上基于FPGA和N1s軟核實(shí)現(xiàn)的SOPC系統(tǒng)。3.如權(quán)利要求1所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:步驟(2)中，逆向追跡將紅外焦平面陣列作為光源，反向分解出造成雜散輻射的內(nèi)部器件，正向追跡通過設(shè)定這些雜散輻射器件的輻射特性，估算最終由探測器接收到的二維輻射強(qiáng)度分布圖。4.如權(quán)利要求1所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:步驟(3)中，控制紅外熱像儀鏡頭和面源黑體之間的距離小于20_。5.如權(quán)利要求1所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:步驟(5)中，工作參數(shù)包括工作溫度以及開機(jī)時(shí)間。6.如權(quán)利要求5所述的一種消除制冷型熱像儀成像復(fù)現(xiàn)非均勻性的方法，其特征在于:步驟(5)通過一套基于VC+Matlab混合編程的功能軟件實(shí)現(xiàn): 圖像處理包括首先對(duì)圖像進(jìn)行平臺(tái)直方圖均衡處理;其次按照定位的雜散輻射來源區(qū)域進(jìn)行圖像分割;再次進(jìn)行有雜散輻射區(qū)域和無雜散輻射區(qū)域的圖像灰度均值提?。?模型構(gòu)建的具體方式是進(jìn)行圖像均值和工作溫度以及開機(jī)時(shí)間關(guān)系的曲線擬合，建立復(fù)現(xiàn)非均勻性現(xiàn)象的圖像與工作溫度以及開機(jī)時(shí)間之間的數(shù)學(xué)模型。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK105928627SQ201610216731
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】董斐, 林森, 何鎖純, 傅強(qiáng), 劉晗
【申請(qǐng)人】北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院