一种光纤束传像系统中非均匀性校正的方法

摘要

本发明公开了一种线面转换型光纤束传像系统中非均匀性校正的方法，该发明用于线面转换型光纤传像束获取超长线列阵探测器的光电系统中，通过采用多段式分级一点法校正。使用该方法后图像非均匀性有明显改善，为后续图像分析奠定了基础。

说明书

技术领域

本发明属于光纤束传像系统图像处理领域，具体是指一种线面转换型光纤束传像系统中非均匀性的校正方法。

背景技术

线列阵探测器是扫描成像系统中的关键部件，超长线列阵可以扩大扫描范围，提高系统分辨率。6000元以上超长线列阵探测器目前受限于工艺无法做到，采用异型光纤传像束构成的光电成像系统可以解决这个问题(专利号：200410089452.8，“推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统”)。该光电系统的主要原理就是利用特殊排列的光纤传像束(即一端为线阵排列，另外一端为面阵排列)将线目标转换成为面目标，面目标成像于面阵探测器，探测器所得到的图像经过时空变换方法(专利号：200510030793.2，“基于光纤耦合的焦平面阵列图像时空变换方法”)恢复出扫描图像。恢复出的图像存在比较严重的非均匀性，主要表现为图像中垂直于扫描方向上有明显的细条纹，还有较宽的条带，如图4所示。图像非均匀性的产生主要来源于三个方向，一是探测器存在非均匀性，二是光学系统带来的非均匀性，三是光纤束本身带来的非均匀性。相对于光纤束引起的非均匀性，光学系统和探测器带来的非均匀性可以忽略。引起光纤束非均匀性的根本原因是各光纤之间透过率不同，以至于当相同照度的光线进入光纤之后，光纤束输出端得到的图像不均匀。光纤束输入端线阵和输出端面阵的排列结构分别如图2和图3所示。如图2所示，光纤束输入端线阵由K级光纤子束错位重叠呈品字型排列而成，光纤子束由m×n元光纤构成。光纤束输出端面阵与输入端线阵光纤一一对应，如图3所示，输出端面阵由与输入端线阵对应的奇级①-偶级②-奇级③光纤子束……顺序叠加而成。下面根据光纤束的结构特点对光纤束非均匀性产生的原因进行分析。光纤传像束中包含光纤的数目是巨大的，以光纤子束为4×220元，K为40来计算，一条光纤束由超过35000根光纤构成，如此多的光纤不可能做到每根光纤之间都完全相同。光纤纤芯直径、包层直径、光纤长短、光纤材料的细微差别，以及光纤之间光纤端面垂直度的差异都会引起光线在光纤中的光程不同，从而光纤的吸收损耗和散射损耗不同，导致不同光纤之间透过率不同，最终在得到的图像上就表现为有条纹存在。除此之外，光纤束制作工艺对光纤的透过率也有较大的影响。由于目前光纤束排丝还是依靠手工排列，所以在光纤集束的过程中，可能出现光纤束输入端或输出端某一层光纤不平整或者出现扭曲，导致出射光线不集中，导光能力不强而散射，影响光纤透过率。当光纤束输入端线阵某一级(如图2所示)在排列的过程中受到挤压或者扭曲时，整级光纤的透过率都会受到影响，表现在最终图像上就是会有条带产生(如图4所示)。光纤束在制作过程中还会出现黄丝或暗丝，这些光纤的透过率明显低于周围光纤的透过率，在图像上表现为较暗的条纹。

目前，关于光纤传像束非均匀性校正算法方面的研究还比较少，不过红外焦平面非均匀性校正已经有很多有效的算法，这些算法值得借鉴。红外焦平面非均匀校正的主要算法有点校正和自适应校正两类。其中点校正包括一点校正、两点校正、多点校正等。自适应校正主要有基于场景的校正算法、神经网络算法、连续时间校正等。在选择校正算法的时候主要考虑两点，算法有效性及复杂性。我们需要一种既有效又简单的算法，这样才能在保证校正效果的同时保证图像处理的实时性。两点法校正是红外焦平面中广泛运用的一种校正方法，它考虑了探测器的增益系数不均匀性和偏置不均匀性。其中偏置不均匀性是指当入射光照度为零时，探测器输出响应不为零，即存在暗电平。而光纤传像束和探测器不同，并不存在暗电平现象，当入射光照度为零时并无输出。所以不用校正偏置不均匀性。所以采用一点法进行校正，只对增益系数的非均匀性进行校正。传统的一点法校正是对定标点处探测器所有像元响应校正为其平均响应，得到的系数就是校正系数，并不适用于线面转换型光纤传像束非均匀性校正。因为由于光纤束制作工艺问题，每一级光纤子束之间整体透过率可能存在较大差别，如果采用传统一点法进行校正，即将光纤元响应校正到其平均响应，将会无法校正图像中的条带。其次，采用传统一点法校正时，只有目标实际照度在定标点照度附近时才会有比较好的校正效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线面转换型光纤束构成的传像系统中光纤束非均匀性校正的方法，以使恢复出的图像具有较好的均匀性，更有利于目标的探测。

如图2如示，设光纤束输入端线阵由K级光纤子束组成，K为自然数。每级光纤子束由m层光纤，每层n元光纤即m×n元光纤组成。奇级(①、③……)与偶级(②、④……)光纤子束错位重叠成品字型排列而成。面阵端与线阵端对应以奇级-偶级-奇级光纤子束……的方式叠加排列而成。因为在恢复图像时，只需要m层光纤中的一层就可以恢复出扫描图像，所以我们讨论的只是m层光纤中其中一层光纤的非均匀性校正，其他层的校正方法相同，当文中提到第k(k＝1，2，3…K)级光纤子束的像元数时，指的就是那一级的其中一层的像元数，即m＝1。

为了保证图像的实时性，选择一种有效且简单的算法来对非均匀性进行校正。根据光纤束的排列结构以及光纤束非均匀性产生的原因，采用适合光纤束非均匀性校正的一点法进行校正，我们称它为多段式分级一点法。主要思想是，在探测器动态范围内，选取φ₀，φ₁，φ₂，φ₃…φ_M不同的M+1个照度等级对光纤束各光纤元响应进行定标，对每一个照度级进行定标时，将定标图像按照光纤束输入端的级数K分为K组，分别对每一组求相应组的平均响应值，以K组中平均响应值最大者作为校正参考值，各光纤元响应值与校正参考值相除，所得系数为光纤元在相应照度条件下对应组的校正系数。在校正第k(k＝1，2，3…K)组光纤子束第i(i＝1，2，…n)个光纤元响应时，先判断该光纤元响应最接近哪一个定标点下对应光纤子束的平均响应值，用该定标点下对应光纤元的校正系数进行校正。

多段式分级一点法校正过程如下：

将一漫反射白板置于整个光学系统前端(图1)，通过改变照射到漫反射白板的光照度，或换不同反射率的漫反射白板，可结合光学系统中光圈变化，得到M+1个照度级的定标图像，这M+1个照度级在探测器动态范围内，M+1个照度级可取5-10级。M+1个照度级的定标图像也可以通过积分球得到，第1个照度级接近被探测目标照度值下限，第M+1个照度级接近被探测目标照度值上限。按照光纤束输入端线阵的级数K，将定标图像响应值分为K组，每一组对应一级光纤子束的响应。分别对每一组求其平均响应(公式1)，得到第j级照度下，第k级光纤子束的平均响应，并分别作为该照度条件下各级光纤子束的响应值(公式2)，将平均响应的最大值作为校正参考值(公式3)，用校正参考值除以各光纤元的响应值，得到第i级照度下第k级光纤子束中第i元光纤的校正系数(公式4)。公式如下：

${\bar{V}}_{j,k}=\underset{i=1}{\overset{N_k}{\Sigma }}{V}_{i,k}/N_k---\left(1\right)$

${\phi }_{j,k}={\bar{V}}_{j,k}---\left(2\right)$

${\mathrm{Vref}}_j=\max \left({\bar{V}}_{j,k}\right)---\left(3\right)$

$a_{i,j,k}=\frac{{\mathrm{Vref}}_j}{V_{i,k}}---\left(4\right)$

其中k＝1，2，3…K；i＝1，2，3…N_k；j＝0，1，2，M。K为光纤束输入端线阵的级数，M+1表示定标时的照度等级数，N_k表示第k级光纤子束一层光纤的元数，因为光纤束采用紧密六角型排列，且在制作过程中无法精确控制每一级的光纤元数，所以不同级的光纤元数会有所不同。公式(1)中表示在第j级照度下第k级光纤子束的平均响应值，V_i，k表示第k级光纤子束中第i元光纤的响应值。公式(2)中φ_j，k表示第k级光纤子束在第j级照度下的参考响应值。公式(3)中Vref_j表示第j级照度下的校正参考值。公式(4)中a_i，j，k表示第j级照度下，第k级光纤子束中第i元光纤的校正系数。

在校正时，根据光纤元响应值V_i，k所在的照度范围，读入相应的校正系数a_i，j，k进行校正，校正后响应值为V_i，k′。具体就是找出与第k级光纤子束中第i元光纤的响应值V_i，k最接近的参考响应值φ_j，k，根据φ_j，k对应的照度级和光纤子束，读入相应的校正系数a_i，j，k，则

V_i，k′＝a_i，j，k×V_i，k               (5)

对光纤束中每一级光纤子束的光纤元用以上的方法进行校正，即可得到校正后的图像。

本发明具有如下特点和技术效果：

1.图像非均匀性得到较好的较正。

2.图像中的由于光纤束非均匀性引起的条纹显著减少。

3.图像中由于光纤子束之间非均匀性引起的条带基本消除。

4.算法简单，有利于图像处理的实时性。

附图说明

图1对光纤束非均匀性进行定标时的装置示意图。

图2是线面转换型光纤传像束输入端排列结构。

图3是线面转换型光纤传像束输出端排列结构。

图4是未经过非均匀性校正的图像。

图5采用多段式分级一点法进行校正后的图像。

具体实施方式

下面以本发明在一个基于线面转换光纤传像束系统的项目中的应用为例，对本发明的具体实施方式作详细说明：

项目中光纤传像束排列结构为：光纤束输入端线阵由40级光纤子束错位重叠呈品字型排列，每级光纤子束由4×210元光纤分4层紧密排列而成。光纤束输出端为210×160元面阵排列。恢复出扫描图像时，只使用了4层光纤中的第2层，所以非均匀性校正只针对各级光纤子束的第2层光纤进行，所以说到某级光纤子束时，默认指的是某级光纤子束的第二层光纤。如果需要对其它层光纤进行校正，则方法相同。

分别采用反射率为100％，80％，60％，40％，20％的漫反射板，并结合光学系统中光圈的调节，产生10个照度级下的光纤传像束定标图像。

将每一个照度级的定标图像中对应的光纤元响应值都分为40组，每一组对应一级光纤子束的响应，分别按公式(1)～(4)求出各组的平均响应光纤在各照度级的参考响应值φ_j，k，校正参考值Vref_j，各光纤元的校正系数a_i，j，k。从第1级光纤子束开始，将每一级光纤子束中光纤元的响应值V_i，k与该光纤子束对应的10个参考响应值φ_j，k作比较，找到最接近V_i，k的参考响应φ_j，k，φ_j，k对应照度级下的校正系数a_i，j，k作为该光纤元响应的校正系数，校正系数乘以光纤元响应值即可得到校正后的响应值。

如图4所示，未经非均匀性校正时，图像中有很多条纹存正，条带也很明显，经过多段式分级一点法校正之后的图像如图5所示，可以看出，图像非均匀性得到了明显的改善，条纹也显著减少，条带现象也消除了。