一種ufpa中無效像元的判別方法

2023-05-24 00:09:01 1

專利名稱：一種ufpa中無效像元的判別方法
技術領域：
本發明屬於紅外熱成像技術領域，涉及紅外焦平面陣列器件，尤其是涉及在圖像的預處 理階段對非製冷紅外焦平面陣列(UFPA)中的無效像元的判別方法。
背景技術：
非製冷型紅外焦平面陣列，克服了通常紅外技術需要製冷的缺點，使用方便、功耗低、 體積小、重量輕，在國防、電力、消防、石化以及醫療等領域得到了廣泛的應用，在世界經 濟的發展中正發揮著重要的作用。另一方面，人們對成像質量的要求也越來越高。但由於制 作器件的半導體材料的不均勻性、掩膜誤差、缺陷、工藝等因素影響，其視頻輸出幅度會出 現不均勻現象，不均勻的極端情況就是無效像元。由於不均勻和無效像元的存在，可能會使 所獲取的圖像信號模糊不清、畸變，甚至使探測器失去探測的能力，而現有的工藝技術狀況 使得設計具有理想均勻性的紅外焦平面探測器難於實現。
在紅外成像系統中，UFPA的信號輸出是探測單元、讀出電路、信號處理電路等各種因素 綜合的結果，器件和信號通道都可能引起無效像元的產生。器件級的無效像元是指紅外探測 器陣列自身中的無效像元；信號通道級的無效像元是指成像系統中電荷讀出及電子成像過程 中由於通道問題使相關像元信號衰減而形成的無效元。引起像元無效的原因很多，歸結起來 可有如下幾個方面
1) 、在UFPA製造過程中，光敏感材料及其中的摻雜濃度的不均勻等都將引起各探測單元 光電轉換特性曲線的波動和暗電流的變化，當這種不一致性過大時，就形成了無效像元；
2) 、 1/頻聲也會使探測單元性能惡化，形成無效像元；
3) 、信號電荷傳輸讀出的影響，在採用移位讀出的UFPA器件中，通道障礙可使相關像元 信號衰減而形成無效像元；
4) 、 UFPA器件工作所處的溫度隨機變化將影響像元性能，在一定環境溫度下，例如過高 或過低的工作溫度下，部分像元將產生性能劣變，失去探測能力，而成為無效像元。
當然，引起無效元的因素中，主要的還是物理損壞、響應特性的非一致性、讀出電路及 暗電流的影響。現有的工藝技術狀況無法解決這些問題，使得UFPA器件中不可避免的存在著 無效像元。無效像元的存在將直接影響系統的成像效果，使輸出的圖像中出現亮點和暗點， 而且無效像元的存在對後繼圖像處理如非均勻性校正，圖像增強等也存在很大影響，引起算 法的資源開銷增大，甚至導致圖像處理算法失效。因此，在圖像預處理階段必須對無效像元 進行判別和補償，以消除無效像元對成像系統的影響。
無效像元的判別至關重要，因為過量判別會增加計算量，同時也會損失圖像信息；而判 別不足則會影響去噪效果，降低體系對點/斑狀目標的檢測/跟蹤性能。常用的無效像元判別方 法有響應率檢測法、偏差檢測法和噪聲檢測法。
響應率檢測法響應率檢測法是面陣型焦平面無效像元判別的常用方法。響應率(即增 益)是無效像元檢測的首選判斷條件。檢測原理如下根據實際經驗確定一個閾值 (thresholdl)，如果非均勻校正的增益係數gain〈l-thresholdl或gain〉l+thresholdl，就判定對應 的探測單元為無效像元，否則認為是有效像元。文獻(周慧鑫，殷世民，劉上乾，等.紅外 焦平面器件盲元檢測及補償算法[J].光子學報，2004， 33(5): 598—600.)和文獻(GB/T 17444 一1998，紅外焦平面陣列特性參數測試技術規範)給出了具體實現方法。響應率檢測法中無 效像元的判別閾值是靠經驗來設定的，不具有通用性。
偏差檢測法偏差檢測法是面陣型焦平面無效像元判別的另一常用方法。檢測原理如下 根據實際經驗確定一個閾值(threshold2)，此處的閾值與響應率檢測法的閾值無關，求出像 素點非均勻校正偏差係數(offset )的平均值(average )，如果某個像元的 offset〈(avemge-threshold2)或offset〉(average+threshold2)，則認為對應的探測單元為無效像元。 在非均勻校正中，偏差係數是對暗電流的校正，對環境溫度相當敏感。因此，偏差檢測法對 環境溫度變化引起的相對無效像元具有較好的判別能力。但對由物理損壞、響應特性的非一 致性等引入的無效像元，則不具有判別能力。
噪聲檢測法噪聲是一個隨機值，遵循統計規律，因此可以用統計方法來獲取其特性。 對於非製冷紅外焦平面，通過測定多幀圖像可以得到每個像元的均方根噪聲。如果某個像元 是無效像元，其均方根噪聲一般與其他像元的均方根噪聲存在很大的差異，利用這一特性， 可以檢測焦平面的無效像元。如文獻(石巖，毛海零，張天序，曹治國等， 一種新的基於特 徵直方圖分解的紅外焦平面陣列無效像元判別方法，紅外與毫米波學報，2005， 24 (2): 119-124.)所述。這種檢測方法是通過分析大量的數據，提取數據特徵來判別無效像元，故需 要海量數據的採集處理，工作量大且繁瑣。

發明內容
本發明提出一種結合了 UFPA的特徵而又不依靠經驗來確定判別閾值的UFPA中無效像 元判別方法，能夠高效、精確地確定無效像元在UFPA中的位置。
本發明所提出的技術問題是這樣解決的本發明所述的無效像元判別方法是根據像元響 應特性，採用循環迭代的方法自動搜索出最優的無效像元識別閾值，確定無效像元在焦平面 上的分布，形成一個無效像元位置映射表。與以往依靠經驗來設定的無效像元判別閾值相比， 本發明採用循環迭代的方法來得到無效像元的判別閾值，更加合理。
本發明詳細技術方案如下
一種UFPA中無效像元的判別方法，包括以下步驟
步驟1、根據UFPA對兩個或兩個以上不同輻射度的黑體的響應數據，計算UFPA中各 像元的非均勻性校正的增益係數gain。
步驟2、採集UFPA對步驟1中所述輻射度之外的一個黑體的響應數據或採集UFPA對 非黑體輻射源的響應數據，並統計UFPA中各像元的響應數據的最小值min及平均值a。
歩驟3、設定初始化閾值threshold為1 。
步驟4、判斷如果miiK0.1Xa執行步驟5，否則執行步驟7。
步驟5、將UFPA中gain<l-threshold或gain〉l+threshold的像元判斷為無效像元，記錄無 效像元在UFPA中的位置和個數k;然後採用插值補償法對所有無效像元進行補償處理，即 採用插值補償法來計算每一個無效像元新的響應數據來替換對應的無效像元的原響應數據。
步驟6、修改閾值thresholcNthreshold-threshold/(bXk+c)，其中b、 c為正實數，重新計算 增益係數gain、最小值min和平均值a，然後轉入步驟4。
歩驟7、結束。
由以上操作，最終得到所有無效像元在UFPA中的位置和無效像元個數。
上述方案中，步驟l中所述非均勻性校正的增益係數gain的計算方法一般是採用基於標
定的兩點或多點非均勻性校正方法。
上述方案中，步驟5中所述插值補償法是鄰域插值補償方法。具體地說對於UFPA中
四個頂點像元，採用的是二鄰域插值補償法；對於UFPA中四條邊界處的像元，採用的是三
鄰域插值補償法；對於UFPA中頂點和邊界以外的像元，採用的是四鄰域或八鄰域插值補償法。
為了方便紅外成像後續過程對無效像元的判別結果的利用，可根據步驟7所述的最後一 次執行步驟5所得的所有無效像元在UFPA中的位置，製作UFPA中無效像元的位置映射表； 所述無效像元的位置映射表為一個具有與UFPA相同行數和列數的行列式，其中，無效像元 所在位置的元素值為"1"，有效像元所在位置的元素置為"0"。
本發明在判別UFPA中的無效像元時，隨著無效像元數的增加使得迭代步長逐歩縮短， 這種變長搜索使得在迭代初期有較快的收斂速度，然後逐步減小搜索步長，使數據接近穩定 值時搜索更為精確，從而保證高效，精確的判斷無效像元。
具體實施例方式
下面通過實施實例對本發明作進一步的說明。
針對320X240的紅外焦平面無效像元的判別過程可分為三個步驟實現(1)採集黑體定
標數據及圖像數據，(2)判別無效像元的位置。
在採集黑體定標數據及圖像數據階段，為消除單次採樣數據出現的偶然誤差對結果的影 響，我們在同一測試條件下對同一目標進行多次採樣，計算採樣數據的統計平均值，並以此 做為目標的響應輸出。
在無效像元位置判別階段，將計算得到的高低溫黑體的響應值作為定標數據，計算其增 益係數，對圖像數據進行非均勻性校正，循環迭代尋找無效像元的判別閾值，區分出有效像 元和無效像元；根據最終所有無效像元在UFPA中的位置，製作UFPA中無效像元的位置映 射表；所述無效像元的位置映射表為一個具有與UFPA相同行數和列數的行列式，其中，無 效像元所在位置的元素值為"1"，有效像元所在位置的元素置為"0"。
權利要求
1、一種UFPA中無效像元的判別方法，包括以下步驟步驟1、根據UFPA對兩個或兩個以上不同輻射度的黑體的響應數據，計算UFPA中各像元的非均勻性校正的增益係數gain。步驟2、採集UFPA對步驟1中所述輻射度之外的一個黑體的響應數據或採集UFPA對非黑體輻射源的響應數據，並統計UFPA中各像元的響應數據的最小值min及平均值a。步驟3、設定初始化閾值threshold為1。步驟4、判斷如果min<0.1×a執行步驟5，否則執行步驟7。步驟5、將UFPA中gain1+threshold的像元判斷為無效像元，記錄所有無效像元在UFPA中的位置和個數k；然後採用插值補償法對所有無效像元進行補償處理，即採用插值補償法來計算每一個無效像元新的響應數據來替換對應的無效像元的原響應數據。步驟6、修改閾值threshold＝threshold-threshold/(b×k+c)，其中b、c為正實數，重新計算增益係數gain、最小值min和平均值a，然後轉入步驟4。步驟7、結束，同時將最後一次執行步驟5所得的所有無效像元在UFPA中的位置和個數k作為最終UFPA中無效像元的判別結果。
2、 根據權利要求1所述的UFPA中無效像元的判別方法，其特徵在於，根據步驟7所述 的最後一次執行步驟5所得的所有無效像元在UFPA中的位置，製作UFPA中無效像元的位 置映射表；所述無效像元的位置映射表為一個具有與UFPA相同行數和列數的行列式，其中， 無效像元所在位置的元素值為"1"，有效像元所在位置的元素置為"0"。
3、 根據權利要求1或2所述的UFPA中無效像元的判別方法，其特徵在於，步驟1中所 述非均勻性校正的增益係數gain的計算方法是採用基於標定的兩點或多點非均勻性校正方法。
4、 根據權利要求1或2所述的UFPA中無效像元的判別方法，其特徵在於，步驟5中所 述插值補償法是鄰域插值補償方法。
5、 根據權利要求4所述的UFPA中無效像元的判別方法，其特徵在於，所述鄰域插值補 償方法對於UFPA中四個頂點像元來說，採用的是二鄰域插值補償法；對於UFPA中四條邊 界處的像元來說，採用的是三鄰域插值補償法；對於UFPA中頂點和邊界以外的像元來說， 採用的是四鄰域或八鄰域插值補償法。
全文摘要
一種UFPA中無效像元的判別方法，屬於紅外熱成像技術領域，涉及在圖像的預處理階段對非製冷紅外焦平面陣列(UFPA)中的無效像元的判別方法。本發明根據像元響應特性，採用循環迭代的方法自動搜索出最優的無效像元識別閾值，確定無效像元在焦平面上的分布，形成一個無效像元位置映射表。與現有技術相比，本發明無需根據經驗設定無效像元判別閾值；且在循環迭代的過程中，隨著無效像元數的增加使得迭代步長逐步縮短，這種變長搜索使得在迭代初期有較快的收斂速度，然後逐步減小搜索步長，使數據接近穩定值時搜索更為精確，從而保證高效，精確的判斷無效像元。
文檔編號G01J5/02GK101363758SQ200810046080
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者霞 塗, 王利穎, 羅鳳武, 蔣亞東 申請人:電子科技大學