星載紅外成像儀焦平面非均勻性分析與校正方法研究.doc

星載紅外成像儀焦平面非均勻性分析與校正方法研究樊彩霞 谷小青 摘 要:由于材料、工藝等原因，紅外焦平面陣列（IRFPA）各探測(cè)元存在響應(yīng)不一致問題，導(dǎo)致紅外圖像的非均勻性。非均勻性校正（NUC）是星載紅外成像儀圖像處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。本文結(jié)合空間相機(jī)的應(yīng)用重點(diǎn)分析了基于定標(biāo)的兩點(diǎn)校正法和基于場(chǎng)景的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，并通過(guò)仿真圖像驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的校正效果。關(guān)鍵字:星載紅外成像儀；紅外焦平面陣列；非均勻性校正；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ANon-uniformity Analysis and Correction for Focal Plane Arrays of the Spaceborne Infrared Thermal ImagerFan Caixia Gu XiaoqingAbstract：Due to the the material and manufacturing technology of the IRFPA, every detectors responsivity is different,which result in non-uniformity of IR images.Thus non-uniformity correction(NUC) is very important to the application of airborne infrared imagers.Based on the analysis of the application of space infrared camera ,this study focus on the two-point algorithm based on calibration and the adaptive algorithm based on neural network .The algorithm of NN is tested by simulated image.Key words：space infrared thermal imager; IRFPA; NUC; neural network1 引言隨著紅外成像技術(shù)發(fā)展，紅外成像儀在氣象觀測(cè)、資源調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋遙感、空間精確測(cè)量、空間目標(biāo)搜索以及空間偵察與預(yù)警等遙感領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。紅外成像儀的發(fā)展是隨著紅外探測(cè)器的發(fā)展而發(fā)展的7。第一代紅外成像儀采用線列探測(cè)器通過(guò)一維光機(jī)掃描實(shí)現(xiàn)成像。隨著CCD等相關(guān)技術(shù)的成熟和紅外焦平面陣列探測(cè)器（IRFPA infraredfocal Plane array）的出現(xiàn)，標(biāo)志著第二代紅外成像儀凝視紅外成像儀的出現(xiàn)。與線列探測(cè)器相比，焦平面探測(cè)器成像具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間分辨率高、探測(cè)能力強(qiáng)、幀頻高等優(yōu)點(diǎn)，正迅速成為紅外成像技術(shù)的主流器件。然而紅外焦平面陣列存在非均勻性和無(wú)效像元，尤其是非均勻性問題嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，降低了系統(tǒng)的空間分辨率、溫度分辨率、探測(cè)距離以及輻射量的正確度量。隨著航天遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)星載紅外相機(jī)的定量化要求越來(lái)越高，因此通過(guò)定標(biāo)方法對(duì)焦平面的非均勻性和盲元進(jìn)行校正，提高定標(biāo)的精度是必須解決的首要問題。由我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的凝視型HgCdTe紅外成像儀在地面測(cè)試中獲得了良好的效果，本文在對(duì)傳統(tǒng)的非均勻性校正方法進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合其空間應(yīng)用背景進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。2 IRFPA非均勻性分析非均勻性指的是紅外焦平面陣列在均勻紅外輻射入射條件下各探測(cè)元的響應(yīng)輸出的不一致性。通常稱這種不一致性噪聲為非均勻性噪聲，在圖像上具體表現(xiàn)為空間噪聲或固定圖案噪聲(spatial noise/fixed pattern noise)。這種非均勻性導(dǎo)致的空域噪聲通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)域噪聲1,2，不能通過(guò)時(shí)域平均得到抑制，是紅外焦平面陣列的整體成像性能的最主要限制因素。即使在非均勻性校正(NUC non-uniformity correction)之后，由于非線性響應(yīng)和目標(biāo)輻射光譜成份的差異，仍然存在著剩余非均勻性噪聲，并且噪聲強(qiáng)度與時(shí)域噪聲相當(dāng)甚至超過(guò)時(shí)域噪聲3。紅外焦平面非均勻性噪聲產(chǎn)生的原因十分復(fù)雜（見圖 1），對(duì)非均勻性的分析從光學(xué)系統(tǒng)、IRFPA響應(yīng)模型以及讀出放大電路等幾個(gè)方面進(jìn)行討論。圖1IRFPA非均勻性噪聲分析圖目前普遍使用的IRFPA響應(yīng)是Mooney模型4，對(duì)絕對(duì)溫度T的黑體輻射，IRFPA中第i個(gè)單元在一個(gè)有效積分周期內(nèi)全部響應(yīng)的電荷數(shù)Ni(Ti)為：(2.1)式（2.1）中，表 1給出了公式(2.1)中引入非均勻性噪聲的各變量及其表現(xiàn)。表 1 基于Mooney模型的非均勻性噪聲分析變量定義探測(cè)元量子效率探測(cè)元相對(duì)光學(xué)系統(tǒng)出瞳的立體角探測(cè)元光敏面積探測(cè)元暗電流（加性噪聲）3 IRFPA非均勻性校正方法經(jīng)同步地面定標(biāo)后發(fā)現(xiàn)某些星載紅外相機(jī)的響應(yīng)度每年有10%的變化率8，因此星載紅外成像儀焦平面的非均勻性更加明顯。如果不進(jìn)行修正，非均勻性噪聲將嚴(yán)重影響對(duì)衛(wèi)星遙感圖像的正確判讀和有效利用?；趯?duì)常用的非均勻性校正方法的研究和相機(jī)空間工作環(huán)境的分析，本文分別對(duì)基于參考源的定標(biāo)類修正方法和基于場(chǎng)景的自適應(yīng)類修正方法進(jìn)行對(duì)比分析。3.1 基于參考源的定標(biāo)類修正方法標(biāo)定類算法要求紅外成像儀進(jìn)行飛行中利用定標(biāo)系統(tǒng)或者地面輻射校正場(chǎng)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試，依據(jù)獲取的定標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)定出IRFPA每個(gè)像元的偏移校正系數(shù)和增益校正系數(shù)。標(biāo)定類算法包括的兩點(diǎn)定標(biāo)法9、多點(diǎn)定標(biāo)法10（分段線性定標(biāo)法）和非線性定標(biāo)法。后兩種方法都要求紅外相機(jī)在飛行中測(cè)試多個(gè)溫度點(diǎn)，這對(duì)星上定標(biāo)設(shè)備提出更高要求，因此目前比較實(shí)用的是基于黑體的兩點(diǎn)定標(biāo)法。兩點(diǎn)定標(biāo)法假設(shè)IRFPA各探測(cè)元的響應(yīng)特性在所感興趣的溫度范圍內(nèi)（或者黑體的兩個(gè)溫度點(diǎn)之間）為線性的。則各探測(cè)元的響應(yīng)方程為：（3.1）其中為輻射通量，和分別為行列對(duì)應(yīng)探測(cè)元的增益和偏移量（固定模式乘性和加性噪聲），為時(shí)域噪聲。通常情況下兩點(diǎn)法校正過(guò)程分標(biāo)定和補(bǔ)償兩個(gè)步驟。標(biāo)定過(guò)程利用星上定標(biāo)設(shè)備分別在溫度點(diǎn)和連續(xù)采集16幀圖像。對(duì)于元紅外焦平面陣列，對(duì)16幀圖像輸出求平均分別得到其陣列元及IRFPA在均勻輻射背景條件下的輸出為：、和。其中，。在時(shí)域噪聲為大部分為低頻成分時(shí)，16幀圖像平均可以消除大部分時(shí)域噪聲的影響。補(bǔ)償過(guò)程則將每個(gè)像元的響應(yīng)校正到IRFPA的平均響應(yīng)。在線性響應(yīng)前提下，其校正方程為：（3.2）其中為兩點(diǎn)校正函數(shù)，和分別為對(duì)應(yīng)像元的增益校正和偏移校正系數(shù)。為校正后輸出。那么在溫度點(diǎn)和處有：（3.3）（3.4）由式3.3和3.4得到各探測(cè)元的增益和偏移校正系數(shù)為：(3.5)(3.6)3.2 基于場(chǎng)景的自適應(yīng)類修正方法自適應(yīng)類校正方法通常不要求或只需要簡(jiǎn)單標(biāo)定，能夠根據(jù)工作時(shí)外部場(chǎng)景的變化以某種算法產(chǎn)生并不斷更新非均勻性校正系數(shù)，使得校正環(huán)節(jié)能在保證最佳評(píng)估結(jié)果的條件下實(shí)現(xiàn)非均勻性校正所設(shè)定的映射。這類算法基于現(xiàn)場(chǎng)景物的變化，不斷修正原來(lái)的校正系數(shù)因漂移可能產(chǎn)生的誤差，在一定程度上克服了標(biāo)定類校正方法的不足，成為目前算法研究和系統(tǒng)應(yīng)用的重要研究方向。而在自適應(yīng)方法中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(NN-NUC)、等統(tǒng)計(jì)量法(CS-NUC)以及時(shí)域高通濾波法(THPF-NUC)又由于計(jì)算量較少、內(nèi)存需求量少、實(shí)時(shí)性較好而得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在星載紅外成像儀的非均勻性修正方面，考慮到空間工作條件下相機(jī)工作性能的漂移及衰減現(xiàn)象比較嚴(yán)重，另外綜合一些特殊應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和精確性要求，本文對(duì)比較適合空間應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行分析比較，并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。自適應(yīng)的NUC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（見圖 25）類似于人的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)中水平細(xì)胞元結(jié)構(gòu)5,6，利用一個(gè)由每個(gè)神經(jīng)元（對(duì)應(yīng)于IRFPA的每個(gè)探測(cè)元）的領(lǐng)域均值組成的隱含層，對(duì)中心探測(cè)元的下一個(gè)輸出輸出進(jìn)行反饋，然后利用最陡下降法對(duì)校正參數(shù)進(jìn)行逐幀迭代，直至到達(dá)最佳校正狀態(tài)。Scribner等人利用Liapunov函數(shù)證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的穩(wěn)定性以及收斂性。(a) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(b) 神經(jīng)元并行修正過(guò)程圖2IRFPA非均勻性校正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法算法的假定紅外場(chǎng)景總是在移動(dòng)（移動(dòng)量要求不大，因此可以通過(guò)圖像的輕微抖動(dòng)等實(shí)現(xiàn)），并且利用探測(cè)元的領(lǐng)域（在此用四領(lǐng)域）均值表示其期望輸出：（3.7）為方便起見下文都省去表示探測(cè)元位置的下標(biāo)，因此探測(cè)器的線性響應(yīng)方程（式3.2）可以記為：（3.8）則誤差函數(shù)為：，由誤差函數(shù)的梯度可以得到其最陡下降方向及在和方向的迭代公式：（3.9）（4.0）控制步長(zhǎng)，步長(zhǎng)的選取和圖像采集頻率有關(guān)，必須足夠的小以保證算法的穩(wěn)定性，尤其對(duì)于噪聲漂移比較嚴(yán)重的情況。4 測(cè)試結(jié)果與分析本文通過(guò)仿真的紅外數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試數(shù)據(jù)包括500幀紅外圖像，圖像在飛機(jī)紅外模型的基礎(chǔ)上加進(jìn)空間噪聲，飛機(jī)沿圖像左上至右下方向移動(dòng)，偏移噪聲的和分別為0和300，增益噪聲的和分別為1和0.1，飛機(jī)和背景輸出均值為2000，步長(zhǎng)取為0.01。a 第1幀(未校正)b 第50幀d 第200幀c 第100幀圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法校正圖像序列由圖3可以看出，到50幀圖像的非均勻性噪聲已經(jīng)得到抑制，明顯提高了圖像的信噪比，但是從100幀往后，圖像的改善效果不明顯。同時(shí)在仿真試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)步長(zhǎng)控制值對(duì)圖像校正影響較大，當(dāng)較大時(shí)（），則算法不收斂，當(dāng)較小時(shí)（），算法的收斂速度很慢，的選取與圖像本身尤其是目標(biāo)的移動(dòng)速度有關(guān)。本文的仿真模型中沒有加入時(shí)間噪聲，但是從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的校正模型分析本方法對(duì)時(shí)域噪聲也有較好的抑制效果。參考文獻(xiàn)1 A.F.Milton,F.R.Barone,M.R.Kruer, Influence of Nonuniformity on Infrared Focal Plane Array Performance. 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