基于场景动态校正的中波红外成像技术研究

摘要

红外成像技术在光电侦察与搜索、探测制导与跟踪等领域具有重要的应用。目前，红外成像系统普遍使用基于定标的方法实现非均匀性校正。为了适应漂移和场景变化，需要不断的使用挡片进行定标，这将导致图像的短暂中断，对于高速机动目标，可能会造成跟踪丢失，是一种非常严重的隐患。为此，本文开展了基于场景的非均匀性算法研究，提出了一种基于时域直方图的非均匀性校正算法。基于型号为MARS MW K508的制冷红外焦平面设计了红外成像处理电路，对所提出的方法进行了验证。 非均匀性校正、盲元替代以及图像增强是红外图像处理的主要内容。所提出的基于时域直方图的非均匀性校正算法，从焦平面输入和响应的概率密度函数角度描述非均匀性，证明了概率密度函数与时域直方图之间具有等价关系，利用直方图数据存储代替直接存储图像数据，解决了大量数据的存储问题，降低了场景校正算法对硬件存储空间和存储速度的要求。采用中值滤波算法检测盲元，以标志位方式进行盲元替代避免了中断式替代的缺点。结合红外图像的直方图特性，讨论了对比度自动增强的方法。采用引导滤波高低频细节增强算法解决了红外图像输出时细节损耗的问题，增加LoG边缘算子来加权引导滤波能有效避免该算法容易产生“光晕”的缺陷。 本文设计的红外成像处理电路可以完成探测器驱动、A/D信号采集、温度控制、实时信号处理等功能。设计了差分信号传输和双级滤波电路来降低板级噪声的引入，从而减小系统的噪声等效温差(NETD)。采用PID闭环温控电路使探测器的温度维持在77±0.04K精度。信号处理上设计了4级流水线结构，该结构将非均匀性校正、盲元替换、对比度增强、细节增强功能融入一个模块，极大地简化了处理流程，保证了视频信号的实时输出。 对本文设计的制冷红外成像电路进行硬件调试、性能测试。测试得到系统的NETD为31mK，成像质量高、实时性好。验证了基于时域直方图的非均匀性校正算法的可行性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1红外成像技术的发展概况

1．1．1红外成像原理概述

1．1．2红外成像技术的发展

1．1．3红外成像技术的应用

1．2非均匀性校正算法发展概况

1．3本文的研究背景及主要内容

2红外图像的校正和增强算法研究

2．1影响红外成像的主要因素

2．1．1像元响应的非均匀性

2．1．2像元响应的漂移特性

2．1．3盲元

2．1．4红外图像对比度低

2．1．5红外图像的特点

2．2红外图像非均匀性校正

2．2．1红外图像非均匀性定义

2．2．2基于定标的非均匀性校正算法

2．3盲元定位和替代

2．3．1盲元检测定位

2．3．2盲元替换

2．4自适应控制对比度增强

2．5基于引导滤波高低频细节增强

2．5．1增强原理

2．5．2引导滤波分层

2．5．3算法改进

2．5．4仿真结果与分析

2．6本章小结

3基于场景的非均匀性动态校正算法研究

3．1基于场景统计类的校正算法

3．1．1时域高通滤波算法

3．1．2恒定统计量算法

3．1．3神经网络算法

3．1．4不同场景下的算法仿真与分析

3．2基于时域直方图的非均匀性校正

3．2．1红外焦平面响应的统计特性

3．2．2时域直方图和参考响应密度函数

3．2．3增益和偏移系数自适应修正

3．3本章小结

4制冷红外成像系统硬件设计

4．1探测器驱动电路

4．2制冷温控电路

4．3基于FPGA的信号处理电路

4．4红外图像数据采集电路

4．5视频编码输出电路

4．6本章小结

5制冷红外成像系统逻辑功能实现

5．1 FPGA逻辑功能模块

5．2探测器驱动信号

5．3红外图像校正系数计算

5．3．1定标模块

5．3．2时域直方图

5．3．3引导滤波窗口

5．4基于流水线结构图像处理

5．5红外视频合成Bt.656数据流

5．6本章小结

6系统性能测试与算法验证

6．1系统调试

6．2制冷红外系统性能评估

6．2．1红外系统的噪声等效温差

6．2．2制冷红外成像系统E位机测试软件

6．3系统成像与校正效果评价

6．4本章小结

7结束语

7．1本文工作总结

7．2创新点

7．3待改进的问题

致谢

参考文献

附录