光电成像——非均匀性校正

1 SL NM 1 SH NM
由
S
i 1 j 1 N M i 1 j 1
N
M
i, j
( L ) ( H )
S
i, j
(L , S L )
和
(H , S H )
所确定的直线被用作校正
直线。
第6讲 非均匀校正
光电成像实时处理技术
3）在一定照度 下，第(i,j)个探测器单元的输出值 S i , j ( )
算法原理 算法实现 算法分析
第6讲 非均匀校正
光电成像实时处理技术
算法原理
两点校正法是：通过测量阵列中各探测器单元对两个不同
辐照度的均匀黑体辐射的响应，并由此计算出校正值，从 而实现非均匀性校正。
1 1 2 2 3 3
S SH H
S S33(( LL)) S S22(( LL)) S S11(( LL))
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算法原理
假定探测器单元的输出信号与接收到辐照度呈线性关系。
选取辐照度 1 作为定标点，对红外焦平面阵列所有探测器 单元的输出信号 Si, j (1 ) 求平均得：
1
1 S (1 ) NM
S
i 1 j 1
N
M
i, j
(1 )
S 3 (1 ) S 2 (1 ) S1 (1 )
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三点校正公式
if (S (i, j ) S M (i, j ))
S (i, j )
S (i, j ) S M (i, j ) S (i, j ) S L (i, j ) Lm Mm S L (i, j ) S M (i, j ) S M (i, j ) S L (i, j )
焦平面阵列的非均匀表现为各探测器单元之间 g i , j ( ) 和
oi , j ( ) 的差异。
灰度
1
辐照度
2
IRFPA 探测器响应曲线的线性模型
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光电成像实时处理技术
非均匀性校正的基本设计思想： 对各探测器的两个参数 g i , j ( ) 和 oi , j ( ) 作归一化处理。
因此校正的关键就是精确地测量出 g i , j ( ) 和 oi , j ( )
最直接的方法: 在两个不同的辐照度下 1 和 2 下测出 每个探测器单元的响应 Si, j (1 ) 和 Si , j (2 ) 。则有
Si , j 1 g i , j1 oi, j
Si , j 2 g i , j2 oi , j
第6讲 非均匀校正
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但两点定标线性校正算法是建立在“探测器单元响应为线 性”这一假设的基础上的。在实际情况中，探测器单元的 响应通常呈非线性，尤其在辐照度变化范围比较大时， 其线性度就更差。因此采用两点定标线性校正算法必然引 进误差和残余非均匀性 。
探测器输出 探测器响应
当使用线性算法时，在
' 与其校正值 S i , j ( ) 之间存在以下比例关系：
S i', j ( ) S L SH SL

S i , j ( ) S i , j ( L ) S i , j ( H ) S i , j ( L )
可求得
(S H S L )S i , j ( L ) SH SL S ( ) S i , j ( ) S L S i , j ( H ) S i , j ( L ) S i , j ( H ) S i , j ( L )
S A ( S )
/ S
线性近似 H近似误差
S 处的响应被映射到
代替了真实的显示输出
/ ) 有误差的显示输出 S D (S

S D ( S ) S D ( S' )
显示输出 校正直线
S D (S )
L S
S'
H
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由图还可以看出，响应非线性造成的残余非均匀性与定标 位置有很大关系，远离定标点的部分残余非均匀性较大。 当我们将两个定标点的相对距离减小时，可以发现由线性 近似造成的近似误差将相应减小。
探测器输出 探测器响应
因此，要进一步提高校正 精度，可以通过在一定的 响应范围内增加定标点 数——即减小定标点之间 的距离来实现，这就是多

S D ( S ) S D ( S' )
显示输出 校正直线
S A ( S )
H近似误差
线性近似
点定标线性校正方法。
L S
S'
H
第6讲 非均匀校正
' i, j
1
为
1
S ( ) Si, j ( ) 2 Di, j
S 3 (1 ) S 2 (1 ) 一点定标校正算法的优点很明显， S1 (1 )
3
2 3
S (1 )
它只需测出红外焦平面阵列在一个 1 2 3 均匀辐照度下各个探测器单元的输 出，即可计算得出校正参数，定标 测量容易实现，算法相当简单。
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按参考辐射源定标点的个数分为
一点定标校正
两点定标校正
多点定标校正
一般来说，由于探测器单元的响应特性并非呈理想的直 线，所以参考定标点越多，即插值节点越多，校正精度 越高。
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光电成像实时处理技术
6.3 一点定标校正算法
算法原理 算法实现 算法分析
1 2 3 1
1 2 3
S (1 )
1
2 3
2
S 3 (1 ) S ( ) S 2 (1 ) 3 1 S ( ) S1 (1 ) 2 1
3
S1 (1 )
S (1 )
1 2
1 2
3
3
1 2
校正示意图
1 2
3
3
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6.4 两点定标校正算法
' i, j
令 Gi , j
SH SL (S H S L )S i , j ( L ) S i , j ( H ) S i , j ( L ) 和 Oi , j S L S ( ) S ( ) i, j H i, j L
可简化为：
S ' i , j ( ) S i , j ( )Gi , j Oi , j
if (S (i, j ) SM (i, j ))
S (i, j ) S (i, j ) Sm (i, j ) S (i, j ) S H (i, j ) Mm Hm S M (i, j ) S H (i, j ) S H (i, j ) Sm (i, j )
其中，需要三个温度参考点图像，高温H，中温M， 低温L。判断待校正图像的像素值范围，若小于中温 M中对应像素位置的值，用上式。否则，用下式。
2 3
其中M×N为焦平面阵列中探测单元 总数。则任一探测器单元(i,j)输出
的平均差值（即校正系数）为
1 2
3
Di , j S i , j (1 ) S (1 )
各探测器单元响应直线
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实时校正
在系统工作过程中，在辐照度 下，第(i,j)个探测器单 元的输出值 S i , j ( ) 减去该探测器单元的校正系数 Di , j 就得到校正值 S i', j ( )
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其它基于辐射源的非均匀性校正算法
也有学者采用分段线性来实现了非均匀性校正，但其是利 用最小二乘法来拟合校正直线的。分段线性是两点校正的 扩展，校正点越多，校正精度越高，但同时计算量大大提 高。 于是Schulz 等人提出了一种算法，该算法采用多个均匀辐 射源并用一个多项式来拟合单个探测器单元的响应特性曲 线。但是算法需要严格的IRFPA测试数据。
S SL L
LL H H LL H H
(a) 各探测器单元响应直线
(b) 校正直线
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算法实现
1) 选取两个辐射度定标点 L 和 H ，分别纪录红外焦平面
阵列中所有N×M个探测单元的输出。 2) 对这些所有的输出 Si , j ( L ) 和 Si , j ( H ) 分别作平均，得
Si , j ( ) g i, j ( ) oi , j ( )
阵列中探测器 单元的坐标 在该照度下偏置 （或暗电流） 在该照度下增益系 入射到探测器单元 上的辐照度 数（或响应率）
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Si , j ( ) g i , j ( ) oi , j ( )ຫໍສະໝຸດ 联立，可得：g i, j
S i , j 1 S i , j 2
1 2
oi , j Si , j (1 ) g i , j1 或 oi , j Si , j (2 ) gi , j2
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但是，这种方法校正的缺点：
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算法分析
由校正公式和算法示意图可以看出，两点定标线性校正算 法侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正，它需要对 两个定标点进行测量，对每个探测器单元得到两个校正参 数。该算法不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校 正，校正的动态范围比一点定标线性校正算法明显增大。 如果探测器单元的响应具有较好的线性度时，通过两点定 标线性校正算法来进行非均匀性校正，可以获得较好的校 正效果，且在两个定标点上的校正效果最好。 该算法存储数据量和计算量都较小，对每个探测单元只需 存储两个校正参数，完成一次乘法和加法，所以算法用软 件或硬件都易于实现。