红外图像处理

红外辐射测量的基本原理是：目标和背景发出的红外辐射，经大气吸收和散射，能量受到部分衰减，而又加上大气路径辐射的影响，目标的对比度降低。受到大气扰动的场景辐射被光学系统接收，会聚到红外探测器上，探测器将入射的红外辐射转化成电信号，经信号处理系统的一系列处理后，最终输出用电平数据表示的辐射图像。

目前红外探测的主要传感器为红外焦平面阵列相机。为了从红外焦平面阵列相机输出的红外图像中得到目标的红外辐射特性数据，需要对其进行绝对红外辐射定标。

可以说精确的定标是保证测量精度的前提。辐射定标的目的是建立红外辐射特性测量系统输入辐射量（入瞳处）与系统输出间的函数关系。为了保证辐射定标精度，定标过程中，需要根据红外成像系统自身的光学系统结构、口径大小及工作环境的不同，合理的选择不同的定标源与定标方法。

而非均匀性校正是红外辐射定标前必须完成的工作，这部分工作对于提高红外成像系统的成像质量，进而获得精确的辐射定标和辐射特性测量数据有重要意义。

1、非均匀校正

红外辐射特性测量系统属于热成像系统的一种，主要采用的探测器为制冷型红外焦平面阵列。在理想的情况下，红外焦平面阵列（IRFPA，infrared focal plane array）在受到均匀辐射照射时，探测元输出的图像灰度应完全一样，然而，受到材料、制造工艺和工作环境等因素的影响，IRFPA普遍存在着非均匀性，具体表现为：IRFPA 各探测像元在相同辐照条件下，通常会表现出不同的响应。通常称这种不一致性噪声为非均匀性噪声，在图像上具体表现为空间噪声或固定图案噪声。这种非均匀性导致的空域噪声通常远远大于时域噪声，不能通过时域平均得到抑制，因此非均匀性的存在会显著降低成像的信噪比和辨析率，极大的限制成像系统的性能，是IRFPA的整体成像性能的最主要限制因素。在以IRFPA 为探测器的红外成像系统中，非均匀性校正是一项十分必要的工作。

IRFPA非均匀性产生的原因多种多样，十分复杂，无法建立完整、精确的数学模型及计算理论，目前对其数学描述仅处于经验公式阶段，IRFPA非均匀性产生的原因一般分为：（1）红外探测器自身的非均匀性，主要由制造探测器的材料质量和制造工艺决定。一旦焦平面器件制造完成，这种制造工艺产生的非均匀性因素将始终存在。

（2）探测器与读出电路的耦合非均匀性。该类原因主要由探测器件的电荷转移效率以及探测器与探测器读出电路的耦合程度不同产生。

（3）器件工作状态引入的非线性。红外辐射强度的变化区间、器件所处的工作温度和器件驱动信号的变化等因素都会对焦平面阵列的均匀性产生影响。

除了探测器自身产生的噪声外，红外成像系统的光学系统也将引起系统输出的非均匀性，主要表现为：光学系统的镜头加工和装调的精度产生的成像非均匀性、离轴像元的渐晕和cos N效应产生的几何非均匀性、系统内部杂散辐射引起的非均匀性。这些非均匀性受环境温度影响较大，因此对于红外成像系统工作环境或工作状态情况，非均匀性校正必须重新进行。

目前，国内外众多学者对红外焦平面阵列非均匀性校正（NUC，Non-uniformity Correction）进行了大量的研究。非均匀性校正方法主要分为两类：基于参考辐射源的标定类方法和基于场景的校正方法。

1.基于场景的非均匀性校正方法

基于场景的非均匀性校正算法一般可分为空域算法和时域算法。空域算法主要有神经网络法、恒定统计法、全局非均匀性校正方法、基于场景运动分析的校正算法和中值滤波法；时域算法包括时域高通滤波法、小波分析、卡尔曼滤波、轨迹跟踪法和代数校正法。基于场景的非均匀性校正方法能够根据场景信息的改变实现校正系数的自适应更新，在一定程度上克服焦平面阵列响应漂移带来的校正误差，但需场景中存在运动、多幅图像才可实现，且没

有考虑到光学系统所产生的非均匀性。

综上，基于场景的非均匀性校正算法计算相对复杂，当前还无法满足实时性要求，不适合应用在工程实践中。

2.基于参考辐射源的标定类非均匀性校正方法

基于参考辐射源的标定类非均匀性校正是红外辐射测量中的一项关键技术，该类方法基本原理非常简单，校正精度高，实时性好，易于硬件实现，因此广泛应用于红外成像系统的非均匀性校正中，其校正效果直接影响红外辐射测量的精度。该类校正方法的本质是获得各单元信号到整个焦平面单元平均响应信号的映射，使用校正函数来表达这种映射关系，红外焦平面探测单元的响应模型一般可按是否线性分为线性模型和非线性模型。线性响应模型下的主要算法有：单点校正法，两点校正法和多点校正法；非线性响应模型下主要算法有：基于Hermite 插值、基于多项式和基于最佳平方逼近的校正算法。

2、辐射定标

2.1 标定源

（1）面源黑体

面源黑体是目前红外系统定标中最常用的定标源。由于其有效辐射面积通常较大，因此其辐射的稳定性和均匀性要相对较低。实际应用中，需要根据系统口径大小和定标精度要求，对面源黑体的面积、辐射的稳定性及均匀性等重要指标进行合理选择。

（2）腔型黑体

腔型黑体是一种有效辐射面积较小的辐射源，与面源黑体相比，其具有高发射率(0.99)、温度上限高（1000°C 以上）和辐射均匀性较差的特点，适合用于高温定标。

（3）积分球

积分球是以基尔霍夫定律基础制成的黑体源，它并非一个单独的测量设备，通常将其与光源、探测器配合，模拟理想漫射光源和匀光器，作为光辐射测量中的标准光源。如将其与可调激光器、单色光源配合获得可见光至中红外波段的辐射，用于光谱定标。它的主要优点有辐射精度高，均匀性好，由于其出射窗口大小的限制，一般将其作为中、小口径系统的定标。

（4）红外星

红外星通常被用与地基红外辐射特性测量系统的现场定标，主要通过标准红外星辐照度数据与地基红外系统的实测对比的方式，标定大气透过率和天空背景影响。红外星定标需要系统具有较高的灵敏度，主要用于大口径光学测量设备的定标。

（5）地面辐射场

20 世纪80 年代前后，为了提高卫星定量遥感精度，以美国人P.N.Slater 教授为代表的学者提出以大面积的、均匀的地球表面作为目标，用于遥感卫星的辐射校正。之后数年中，法国、日本和澳大利亚等国也相继建立了地面辐射校正场。目前，地面辐射场校正己应用于多颗卫星的辐射校正过程，在可见和近红外波段可实现3%~5%左右的校正精度，已成为国际遥感界公认的辐射校正有效手段。

（6）太阳

太阳可被视为均匀朗伯体，通常可被用于飞机、卫星和航天器上的成像系统在飞行过程中的辐射定标。由于其照射范围较广，因此最常用于星上定标。

2.2 辐射定标方法

辐射定标是目标辐射特性测量前必须完成的工作，其本质是通过拟合不同温度黑体的辐射亮度与其对应的红外成像系统的灰度值输出数据，获取红外成像系统入瞳处的辐射亮度与