紅外焦平面陣列自適應(yīng)盲元檢測-最新年文檔

1、紅外焦平面陣列自適應(yīng)盲元檢測A Adaptive Algorithm of Blind Pixels Detection forIRFPAMAO iao-qun WEN uo- ian(Chongqing College of Electronic Engineering Zhongguo Chongqing 401331)【】 In order to improve the accuracy of blind pixelsdetection in IRFPA, the principle of blind pixelsappearance and the algorithms of blin

2、d pixels detectionwere analyzed in the paper, and then proposed a new adaptive algorithm of blind pixels detection for IRFPA. The results of experiment indicate that the algorithm can detect two kinds of blind pixels adaptively.0. 引言紅外焦平面陣列(IRFPA)作為目前新一代探測器件提高了紅外系統(tǒng)的空間分辨率和系統(tǒng)靈敏度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍工、民用等各個領(lǐng)域，但由于制

3、造工藝水平的限制及其應(yīng)用環(huán)境溫度的多變性， 使得IRFPA器件上不可避免地存在盲元，盲元的存在嚴(yán)重影響了紅外圖像的信噪比及成像質(zhì)量。盲元問題不解決將嚴(yán)重影響紅外探測器的應(yīng)用。盲元可以通過盲元補(bǔ)償算法得以補(bǔ)償，但前提是對盲元進(jìn)行精準(zhǔn)定位。本文分析了盲元產(chǎn)生的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上得到了盲元的數(shù)目及位置隨環(huán)境溫度可能改變的事實(shí)，提出了隨溫度變化的盲元自適應(yīng)檢測算法，即基于雙參考源和“3 ”準(zhǔn)則相結(jié)合的盲元檢測法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測方法能有效地檢測出盲元。1. 盲元及產(chǎn)生原因1.1 盲元盲元， 又稱為失效元，是指 IRFPA器件中的響應(yīng)過高和過低的探測器單元，它包括死像元和過熱像元：死像元指像元響應(yīng)率

4、小于平均響應(yīng)率的1/10 的像元；而過熱像元就是像元噪聲電壓大于平均噪聲電壓10 倍的像元。像元響應(yīng)率R(i, j) ：是指 IRFPA在一定幀周期和一定動態(tài)范圍條件下，像元對每單位輻照功率產(chǎn)生的輸出信號電壓：R(i,j)=V(i,j)/P(i,j)( 1.1 )上式中，i=1 ， 2，M， j= 1， 2，N， V(i ,j) 為第( i,j )個像元對應(yīng)于輻照功率P 的響應(yīng)電壓，P( i, j )為第( i, j )像元所接收的輻照功率。其中， 平均響應(yīng)率指有效像元響應(yīng)率之和所有有效像元數(shù)的比值。以上盲元的定義是從器件本身對黑體輻射的響應(yīng)程度作為量化指標(biāo)的，它是基于實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果的公式。1

5、.2 盲元產(chǎn)生的原因 盲元的來源不同其特性也不同，檢測方法也存在一定的區(qū)別。因此，要實(shí)現(xiàn)盲元的精確檢測就必須弄清盲元成因。由于紅外探測信號的輸出是讀出電路、敏感元、 半導(dǎo)體特性及放大電路等因素綜合作用的結(jié)果，因此， 盲元產(chǎn)生的原因大體可以分為以下幾類：（ 1）探測器各敏感元的響應(yīng)率不一致，由設(shè)備制造過程中的隨機(jī)性引起的。（ 2） 1/f 噪聲，這種噪聲的產(chǎn)生機(jī)理尚不十分清楚，多半認(rèn)為它是由半導(dǎo)體的表面電流所引起的，在種噪聲會使探測單元性能惡化形成盲元1,2 。1. 3）電荷傳輸效率的影響。主要存在CCD 型移位讀出的圖像傳感器中，表現(xiàn)為圖像平面上的陰影。2. 4）無效敏感元的影響。3. 5）圖

6、像傳感器所處環(huán)境溫度的變化也是產(chǎn)生盲元的主要原因之一。環(huán)境變化對所有的陣列元起作用，且這種作用是隨機(jī)變化的，在一定環(huán)境溫度下（溫度過高或過低），部分像元出現(xiàn)性能劇變，失去探測能力，從而成為盲元。根據(jù)以上盲元的成因及其在實(shí)際紅外成像系統(tǒng)中的特點(diǎn)，盲元可分為器件級盲元和信號通道級盲元兩類3 ：器件級盲元的響應(yīng)是固定的，不會隨外界條件的變化而變化；信號通道級盲元是成像系統(tǒng)中電荷讀出及電子成像過程中由于通道障礙使相關(guān)單元信號衰減而形成，該類盲元具有隨機(jī)性，對于它們的檢測無法預(yù)先定位。盲元檢測常用的方法有： ”準(zhǔn)則盲元檢測法 4 、小波濾波和“3 ”相結(jié)合的盲元檢測法5 、 基于雙參考輻射源的盲元檢測法

7、6 、基于均勻背景的自動檢測法及遞歸法等。這些檢測方法要么針對器件型盲元進(jìn)行檢測的（如基于雙參考輻射源的盲元檢測法）， 要么針對信號通道級盲元進(jìn)行檢測（如3 ”準(zhǔn)則盲元檢測法），無法進(jìn)行盲元的全面檢查。4. 基于雙參考源和“3 ”準(zhǔn)則相結(jié)合的盲元檢測法經(jīng)過對多幀紅外圖像的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)（具體數(shù)據(jù)見表2.1 及表 2.2 ），紅外圖像中的盲元主要以兩種方式存在：一種方式就是不管溫度如何變化，有些像元其輸出響應(yīng)始終無變化或變化很小， 這些像元即前面所說的器件型盲元；而另一種方式就是在某一溫度條件下為某些像元無輸出相應(yīng)，而溫度變化后這些像元響應(yīng)又會逐漸趨于正常，這就是信號通道級盲元。換而言之，要進(jìn)行全

8、面、 精準(zhǔn)的盲元檢測就必須同時檢查器件型盲元和通道級盲元，因此本文提出了基于雙參考源和“3 ”準(zhǔn)則相結(jié)合的盲元檢測法。表2.1 部分器件型盲元響應(yīng)表表2.2 部分通道級盲元響應(yīng)表R（i, j）Ti 為環(huán)境溫度Ti 時像元 （ i,j ） 的響應(yīng)值，文中T1、T2、T3 依次為5、15、25。4.1 基于雙參考源的盲元檢查法基于雙參考輻射源的盲元檢測方法的原理是：用溫度分別為T1、 T2的黑體參考源均勻照射IRFPA， 得到兩個溫度對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù) Y(T1) 、 Y2(T2) ，計(jì)算這兩組響應(yīng)數(shù)據(jù)的差值 Y，并判斷 Yi ， j 與閾值 (根據(jù)實(shí)際圖像選取具體值)的大小關(guān)系：如果 Yi ， j

9、小于 則認(rèn)為像元(i, j )為盲元，否則為正常像 元。雙參考源的盲元檢測法操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但是由于它利用的是兩幅參考圖，只能對兩圖中像元輸出響應(yīng)無變化或是變化很小的探測盲元進(jìn)行檢測。因此， 主要用于探測系統(tǒng)出廠前盲元檢測，即前面所說的器件型盲元的檢測。但是，對于由環(huán)境溫度過高或過低造成的信號通道級盲元則無法探測。4.2 “3 ”準(zhǔn)則盲元檢測法“3 ”準(zhǔn)則盲元檢測法是基于均勻背景紅外圖像的灰度服從正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)特性及盲元在圖像中的表現(xiàn)特征提出的，它利用單幀圖像中的滑動窗口實(shí)現(xiàn)對盲元的自適應(yīng)閾值檢測，主要用于探測系統(tǒng)出廠后的盲元檢測(即信號通道級盲元檢測)，實(shí)時性好。其具體算法步驟如下：首先

10、，以盲元圖像中任意一像素點(diǎn)I(i, j) 為中心定義一個滑動窗口W，計(jì)算此時窗內(nèi)的均值 (i, j) 和方差 (i, j) ；然后，計(jì)算窗口中心像元灰度值與均值的偏差e(i, j) ；最后，判斷 e(i, j) 與 3 的大小關(guān)系：如果e(i, j) 大于3 ，則像元( i, j )為盲元，記錄當(dāng)前的坐標(biāo)(i, j )；否則該像元為正常像元。4.3 基于雙參考源和“3 ”準(zhǔn)則相結(jié)合的盲元檢測法首先， 利用雙參考源檢查法檢查紅外圖像中器件型盲元，再利用“3 ”準(zhǔn)則盲元檢測法檢測盲元圖像中的通道級盲元，從而實(shí)現(xiàn)盲元的全面檢查。具體算法步驟如下：（ 1 ）建立128 128 的全 1 矩陣WZ1，待

11、存檢測出的器件型盲元值。（ 2）用溫度分別為T1、 T2 的黑體參考源均勻照射IRFPA，得到兩個溫度對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)Y（T1） 、 Y（T2） ，計(jì)算這兩組響應(yīng)數(shù)據(jù)的差值 Y。 Yi,j=Yi,j（T1） - Yi,j（T2） （ 3.1 ）（ 3） 為根據(jù)實(shí)際圖像選定的一閾值。如果（3.1 ）式成立則該像元為盲元，并令WZ1（i, j）=0 ，否則轉(zhuǎn)到下一步。（ 4） 移動到下一個像元，并依次執(zhí)行步驟（ 2） 、 步驟 （ 3） 。待所有像元都檢測完后，跳到（5）。（ 5）建立128 128 的全 1 矩陣WZ2，待存檢測出的通道級盲元。（ 6）以盲元圖像中任意一像素點(diǎn)I （ i, j ）為

12、中心定義一個滑動窗口W（窗口W內(nèi)的像素?cái)?shù)為（2n+1） （2n+1） ，n=1， 2，3，10），并計(jì)算此時窗內(nèi)的均值 （i, j） 和方差 （i, j） 。如公式（3.2）所示。窗口大小的選擇一般認(rèn)為n 取 4或 5時精度較高。 （i, j） （ 3.2）其中， I（i, j） 為像素點(diǎn)（i, j ）的灰度值， （i, j） 為該窗口內(nèi)所有像素點(diǎn)的均值。（ 7）計(jì)算此時窗口中心像元灰度值與均值的偏差e（i, j）e（i, j） I（i, j） （i, j） （ 3.3）（ 8）判斷e（i, j） 是否大于3 ，如果是則判斷為盲元，并令當(dāng)前的坐標(biāo)WZ2 （i, j）=0。（ 9）將窗口中心位置

13、移動到下一個像素點(diǎn)，并依次執(zhí)行步驟6）、7）、8）。（ 10）計(jì)算WZ=W Z1?WZ，如果為 20，則該像元為最終盲元，避免盲元重復(fù)。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備獲取紅外圖像，并進(jìn)行兩點(diǎn)非均勻性校正7。紅外成像系統(tǒng)（CCD）噪聲估算：在獲取定標(biāo)數(shù)據(jù)時，首先必須測試環(huán)境參數(shù)（包括成像系統(tǒng)的溫度、環(huán)境溫度、濕度等）產(chǎn)生的噪聲。通過對同一溫度同一黑體源在下不同時間的兩幅圖像比較發(fā)現(xiàn)10 ： 當(dāng)黑體溫度發(fā)生變化時，成像系統(tǒng)的噪聲都較為穩(wěn)定，接近某一定值。因此，在盲元檢測之前的兩點(diǎn)非均勻校正過程中就可以將這部分噪聲消除。5.2 對紅外圖像進(jìn)行兩點(diǎn)法非均勻校正圖（ 3.1 ）為經(jīng)過兩點(diǎn)法非均勻校正后待盲元檢測的圖像。圖（ 3.1 ） 兩點(diǎn)法校正后待盲元檢測圖進(jìn)行盲元檢測時， 的值取10（ 對實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)分析