差分式光谱滤波红外成像的二次非均匀校正方法和系统与流程

本发明属于红外焦平面探测器成像和图像处理，特别涉及一种差分式光谱滤波红外成像的二次非均匀校正方法和系统。

背景技术：

1、随着工业经济的发展，石油天然气已成为人们生活和生产过程中不可缺少的能源，其在运输、石化产品生产和使用过程中可能会发生泄漏。工业气体的泄漏不仅污染环境，处理不及时将会发生火灾、爆炸等灾害，造成生命财产的重大损失，成为当前工业生产和交通运输等领域发生重大灾害之一。近年来，国内外针对工业气体泄漏检测，提出了多种红外成像检测模式。其中，差分式光谱滤波成像模式是由法国bertin公司在1991年所提出的一种检测模式，这种成像模式由于采用特征波长步进的长通滤波成像，通过两次成像之差形成两个特征波长之间波段成像信息。因此，具有较单通道带通成像检测更高的成像信噪比，有利于气体泄漏的检测。

2、在理想的情况下，红外焦平面阵列探测器(irfpa，infrared focal plane array)在均匀的辐射情况下，各个探测单元按照线性响应模型，各探测单元应得到一致的数据输出，但在实际情况中，由于受到材料和工艺条件等因素的影响各探测单元的输出产生不一致性，这就产生了图像的固定图案噪声(fixed pattern noise,fpn)，需要进行非均匀性校正(non-uniformity correction，nuc)。irfpa的非均匀性使图像信噪比下降，细节模糊，降低了图像的质量和成像系统的温度分辨率，严重影响信息的获取，极大的限制了红外焦平面成像系统的性能。

3、两点均衡校正算法是在两个不同的滤波通道辐射成像条件下的校正过程，首先通过探测器输出响应得到单通道下每个探测单元对应两点校正模式的增益校正矩阵和偏移校正矩阵，由此可以在一定的辐射范围内保证探测器单元的均匀性。但按照差分式光谱滤波气体泄漏红外成像系统的工作原理，成像信号是由相近两个长通滤波片成像相减而成，虽然每次成像都进行了两点式非均匀校正，但是各通道的响应并不一致，需要将各通道之间的信号响应进一步进行均衡，以实现在相同的尺度上相减使其客观反映辐射的差异。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明采用的技术方案如下：

2、一种差分式光谱滤波红外成像的二次非均匀校正方法，所述方法包括以下步骤：

3、基于差分式光谱滤波红外成像系统，在长通滤波单通道两点非均匀性校正的基础上，增加相邻两通道之间的二次非均匀校正使通道之间的信号响应均衡。

4、进一步地，二次非均匀性均衡校正步骤如下：

5、相邻两通道分别记为通道1和通道2；假设通道1和通道2的信号响应y1(i,j)和y2(i,j)分别为

6、y1(i,j)＝a1(i,j)x1(i,j)+b1(i,j)

7、y2(i,j)＝a2(i,j)x2(i,j)+b2(i,j)

8、其中，x1(i,j)和x2(i,j)分别为经过通道1和通道2时探测器获取的原始数据，a1(i,j)，a2(i,j)分别为通道1和通道2的增益矩阵，b1(i,j)，b2(i,j)分别为通道1和通道2的偏置矩阵；

9、通过线性变换使通道2的信号响应与通道1一致，线性变换公式为：

10、y3(i,j)＝a3(i,j)y2(i,j)+b3(i,j)＝a1(i,j)x2(i,j)+b1(i,j)

11、其中，y3(i,j)表示通道2经过二次非均匀性均衡校正后的输出数据；

12、通过将原始数据x1(i,j)和输出数据y1(i,j)拟合得到曲线的斜率、截距分别为a1(i,j)和b1(i,j)，通过将通道2的校正后信号响应y2(i,j)和输出数据y3(i,j)拟合得到曲线的斜率和截距分别为a3(i,j)和b3(i,j)，进而通过a1(i,j)、b1(i,j)、a2(i,j)、b2(i,j)的值，

13、求取得到

14、进一步地，相邻两通道中两个长通滤波片通道带宽相减构成的带通内的信号为

15、

16、进一步地，两点非均匀校正为：

17、

18、其中，为差分式光谱滤波红外成像系统真实辐射估计值，yk(i,j)为差分式光谱滤波红外成像系统输出值；和分别为g(i,j)和o(i,j)校正后的增益矩阵和偏置矩阵；

19、其中，a(i,j)是乘性非均匀噪声；b(i,j)是加性非均匀噪声；

20、将校正后的增益矩阵和偏置矩阵和代入中即实现两点非均匀校正。

21、进一步地，a(i,j)和b(i,j)计算过程为：

22、分别在高温th和低温tl下采集探测器对黑体辐射的响应，探测器这两温度下接收到的辐射值分别为x(th)和x(tl)，探测器(i,j)的响应yk(i,j,th)和yk(i,j,tl)表示为：

23、yk(i,j,th)＝a(i,j)×x(th)+b(i,j)

24、yk(i,j,tl)＝a(i,j)×x(tl)+b(i,j)

25、根据yk(i,j,th)和yk(i,j,tl)的计算公式可得a(i,j)和b(i,j)分别为：

26、

27、

28、其中，探测器(i,j)接收到的辐射值为x(th)和x(tl)用所有探测单元响应的均值代替，即：

29、

30、

31、m×n为红外焦平面阵列大小。

32、进一步地，校正后的增益矩阵和偏置矩阵和分别为：

33、

34、

35、进一步地，对于大小为m×n红外焦平面阵列，其第k帧的读出信号yk(i,j)为：

36、yk(i,j)＝a(i,j)×xk(i,j)+b(i,j)+nk(i,j)

37、其中，xk(i,j)是探测元(i,j)接收的红外辐射值；a(i,j)是乘性非均匀噪声；b(i,j)是加性非均匀噪声；nk(i,j)是随机噪声。

38、进一步地，yk(i,j)的逆变换为

39、本发明还提供了一种差分式光谱滤波红外成像的二次非均匀校正方法的系统，所述系统包括差分式光谱滤波红外成像系统、黑体和上位机；其中，黑体和差分式光谱滤波气体泄漏红外成像系统按照平行光路进行放置，黑体用于作为参照物；差分式光谱滤波红外成像系统用于对准黑体辐射面，对黑体采集各通道的黑体辐射响应；差分式光谱滤波红外成像系统还用于对通道进行调整，完成对黑体采集图像；上位机用于将差分式光谱滤波红外成像系统滤光片采集到的图像进行显示与保存。

40、进一步地，黑体和差分式光谱滤波红外成像系统间隔为50cm。

41、与现有技术相比，本发明提供的差分式光谱滤波红外成像的二次非均匀校正方法在两点非均匀性校正的基础上，增加二次均衡校正，在提高红外图像均匀性的同时，能够实现各通道之间的信号响应均衡，使红外图像能够客观反映辐射的差异。

42、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。