一种提高热红外图像温度灵敏度的时空交替叠加方法与流程

本发明属于高灵敏度红外成像及应用技术领域，具体涉及一种提高热红外图像温度灵敏度的时空交替叠加方法，它适用于非均匀校正后的热红外图像的处理。

背景技术：
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热红外成像因其被动成像、抗干扰能力强、全天候工作等诸多优点，在军事和民用领域得到了日益广泛的应用。随着红外成像技术的发展，人们对热红外成像系统灵敏度水平的要求越来越高，获取更高灵敏度红外图像的需求也更加迫切，经过非均匀性校正的红外图像仍然存在剩余非均匀性空间噪声。在一些特殊场合，所需的灵敏度远高于普通应用场合，尤其是对空间噪声更加敏感，会极大的干扰对微小热辐射的分辨能力，但受限于器件本身，通常做法处理后的图像的空间维噪声等效温差仍然很高，系统灵敏度无法大幅提高，无法满足这类应用的需求。

高灵敏度红外成像系统一般采用制冷型红外焦平面器件，由于焦平面阵列中各探测元响应特性不完全一致，使得红外图像出现非均匀性噪声，空间噪声最大的来源就是器件本身响应的非均匀性，常规的非均匀性校正算法无法完全去除该噪声，但在一般应用场合该剩余噪声不影响图像质量。可见文献中尚无针对非均匀处理后的红外图像进一步提高灵敏度的方法。本文时空交替叠加方法基于此问题而提出，基于机载热红外推扫系统，针对性的同时进一步削弱所得图像空间噪声的时间噪声，并极大提升温度灵敏度。

技术实现要素：
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发明目的：本发明提供了一种针对非均匀校正后的热红外图像极大提高温度灵敏度的时空交替叠加方法。这种方法基于机载推扫红外成像系统，针对非均匀矫正后的剩余空间噪声和像元的时间噪声，以不同帧图像之间的匹配叠加为手段，同时降低两种噪声，实现了超高灵敏度的热红外探测。

本发明提出的针对非均匀校正后的热红外图像极大提高温度灵敏度的时空交替叠加方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用基于M×N规模的焦平面阵列的红外成像系统，在机载使用场合下，得到连续帧的推扫热红外图像；

2)对得到的所有单帧图像进行非均匀性校正和盲元处理；

3)获取热红外图像时的航拍推扫速度的平均值V m/s和热红外系统的瞬时视场w rad，帧频H以及飞行高度h(m)，算出连续帧间的像素差T＝V·(wh)/H；

4)根据T的值，对相连帧的图像在T值附近进行匹配，匹配方法可以采用相位相关匹配等多种方法，以找出每两个相连帧图像之间像素差的准确值；

5)根据两两相连帧图像之间的像素移动差，将不同帧图像中对同一地物的像元叠加，得到像元DN值X＝x₁+x₂+...+x_m，x_i，i＝1,2,…,m是不同帧图像中对同一地物成像的像元DN值，m为叠加次数(m的取值与所用面阵大小有关)，将所得到的所有单帧图像叠加成一幅推扫图像，并把叠加后的推扫图像每个像元除以叠加的次数，最终像元的DN值x＝X/m，最终得到高灵敏度图像。

本发明相对于现有方法具有如下的优点及效果：

1本发明针对传统非均匀校正方法的局限，创造性的进一步降低了剩余非均匀性噪声，为提高红外成像系统灵敏度提供了新的手段。

2本发明针对传统非均匀校正方法处理后的红外图像的剩余非均匀性噪声，在推扫成像的前提下，以不同像元对同一地物成像为依据，通过图像匹配，进行时空交替叠加，同时降低了空间噪声和时间噪声。

3本发明针对常规处理方法仍然存在剩余非均匀性噪声的不足，可广泛用于各种推扫成像场景，降低空间噪声和时间噪声，提高系统的灵敏度，无场景使用限制。

附图说明：

图1是本发明以M*N焦平面为例的针对非均匀校正后的热红外图像极大提高温度灵敏度的时空交替叠加方法框图。

图2(1)是实验室验证物体的可见光照片，图2(2)和图2(4)是处理前图像图2(6)的细节图，图2(7)是对图2(6)图像处理后的对比图，图2(3)和图2(5)是图2(7)的细节图。

图3是本发明实施例中海面处理后图像。

图4是处理前后海面图像细节的对比，其中：图4(1)和图4(3)是处理后的海面，图4(2)和图4(4)是处理前的海面。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1的步骤，以320×256焦平面为硬件的红外成像系统为例，针对非均匀校正后的热红外图像极大提高温度灵敏度的时空交替叠加方法，包括以下步骤：

1)利用基于320×256规模的焦平面阵列的红外成像系统，在机载使用场合下，得到连续帧的推扫热红外图像。

2)用常规的非均匀性校正对得到的所有单帧图像进行非均匀性校正和盲元处理。

3)根据航拍推扫速度的平均值70(m/s)和热红外系统的瞬时视场0.5e-3(rad)，帧频100(hz)以及飞行高度2000(m)，可以大体算出连续帧间的像素差T＝0.7。

4)根据T的值，对相连帧图像在T值附近进行匹配，匹配方法采用相位相关匹配，两幅图像的交叉功率谱为：

$C(u,v)=\frac{F_1^{*}(u,v)F_2(u,v)}{\left|F_1(u,v)\right|\left|F_2(u,v)\right|}=e^{-j2\mathrm{\π}({\mathrm{ux}}_0/M+{\mathrm{vy}}_0/N)}$

F₁(u,v)，F₂(u,v)是图像f₁(x,y),f₂(x,y)的傅里叶变换。所以交叉功率谱的反变

换

c(u,v)≈sinc(x-x₀)sinc(y-y₀)

其中两幅图像的位移差(x₀,y₀)出现在上式的最大值处。

5)根据相连帧图像之间的像素移动差，将不同帧图像中对同一地物的像元叠加，得到像元值X＝x₁+x₂+...+x_m，x_i(i＝1,2,...,m)是不同帧图像中对同一地物成像的像元，m为叠加次数。由于焦平面另一维是256，每帧图像的像素差大体为0.7，因此m大体为300。将所得到的所有单帧图像叠加成一幅推扫图像，并把叠加后的推扫图像每个像元除以叠加的次数，最终像元的值x＝X/m，最终得到高灵敏度图像。

如图2(6)所示，是没有经过本文方法处理的常规非均匀性校正后的物体图像，其中可以明显的看到存在着剩余非均匀性空间噪声，灵敏度也不高，无法凸显出部分细节。图2(7)为经过本文方法处理后的图像，可以看到之前看不到的一些细节凸显了出来。图2给出了与可见光照片的对比，而这些细节在常规成像中是看不到的。

用本文的针对非均匀校正后的热红外图像极大提高温度灵敏度的时空交替叠加方法对外景图像进行处理，如图3所示为本实施例的最终的处理结果，将图4中的处理前后的海面图像细节进行对比，相对比(2)和(4)，(1)和(3)中海面纹理变得丰富了许多。可见，其中的空间噪声被大幅降低，极大幅提高了图像质量，提升了图像的灵敏度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进也应视为本发明的保护范围。