【正文】 主要是因?yàn)榧t外成像要經(jīng)過多個(gè)過程共同作用：首先，場景中各物體對(duì)周圍產(chǎn)生了熱輻射；然后，這些熱輻射以大氣傳輸?shù)姆绞剿偷焦鈱W(xué)采集系 統(tǒng)；最后，通過探測元將光學(xué)采集系統(tǒng)采集到的熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并使用外部電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理；這就是一個(gè)完整的紅外成像系統(tǒng)的工作過程。這一類非均勻性是由外部環(huán)境影響引入的，很難通過探測系統(tǒng)自身進(jìn)行消除。 0 )i j i j i j i jX n k n Y n b n i M j N? ? ? ? ? ? （ 31） 式中， ()ijYn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻接收到的輻射量 ()ijXn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的響應(yīng)輸出 ()ijkn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的增益因子 ()ijbn— 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的偏置因子 在理想的情況下，各探測元的增益因子 ()ijkn都是相同的，并且偏置因子 ()ijbn 都為 0，這樣， ()ijXn 就可以真實(shí)的反映出輸入圖像。于是人們提出了兩點(diǎn)校正算法，擴(kuò)大了定標(biāo)的校正范圍。 模型的建立： 假設(shè)探測元工作在線性范圍內(nèi)，探測元的輸入輸出關(guān)系可以由式（ 31）給出。上式也可寫為如下形式： 第三章 紅外圖像非均勻性校正算法 19 (1 ) (1 ) 1 (1 )( ) ( ) 1 ( )k k kkkk k k k k kX Y VkbX l Y l V l? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 325） 式中 kl 表示第 k 組幀的長度。下面將對(duì)算法結(jié)構(gòu)中的每一層進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問題提出改進(jìn)的方案。觀察第 188 幀以前的圖像，這些圖像中人物都是帶著眼鏡的，所以可以認(rèn)定均方誤差的大幅度波動(dòng)是由圖像中眼鏡的突然消失引起的，并且觀察第 188 幀圖像可以看出在人的眼部有一個(gè)淡淡的眼鏡的偽像。 為了直觀的分析校正算法的性能，實(shí)驗(yàn)中通過均方根誤差（ RMSE）曲線進(jìn)行對(duì)比， RMSE 定義如下式 [46]： 2111 ()NM ij ijijR M S E x yMN ?????? （ 354） 式中， ijx — 是輸入的原圖像 ij 位置像素的灰度值 ijy — 是校正后的輸出灰度值 M、 N— 分別是圖像的行和列數(shù) 處理過程的 RMSE 曲線如圖 所示，從圖中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法校正過后圖像的均方根誤差有很大的改善，隨著幀數(shù)的增加，曲線趨于平緩，說明參數(shù)的 迭代趨于收斂。除了隱含層，還需要一個(gè)校正層，在校正層中對(duì)像元輸出進(jìn)行校正。 驅(qū)動(dòng)噪聲的方差為： ? ? 122 20221v a r v a r ( )1nnwkwWB? ????? ??????? ??????? （ 322） 其中： 0020 00v a r( )0k bB????? ???? （ 323） 式中 ,02k? 和02b? 分別是在 0k? 組幀時(shí)的增益系數(shù)和偏置系數(shù)的方差。由于在濾波過程中參數(shù)與觀測數(shù)據(jù)的更新是同步的，所以不需要大量的存儲(chǔ)空間對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，這就使得濾波器的時(shí)效性比較好。對(duì)于增益因子非均勻性較大的情況就不適用了，這就要用到另一種算法：增益因子的一點(diǎn)校正算法?；诙?biāo)的非均勻性校正算法復(fù)雜度低、精確度高、利于工程中實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn) [34]。 （ 4） 放大電路的非一致性。 （ 5）太陽輻射的影響 第二章 紅外成像非 均勻性產(chǎn)生的原因和定義 9 一般來說，紅外成像系統(tǒng)在白天的成像質(zhì)量要優(yōu)于夜晚。 近年來，研究人員不斷嘗試著將一些數(shù)學(xué)工具運(yùn)用到紅外圖像的增強(qiáng)中，如文獻(xiàn) [26]中提到的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強(qiáng)算法，文獻(xiàn) [27]中進(jìn)行了基于遺傳算法的紅外圖像增強(qiáng)研究，文獻(xiàn) [28]將數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)用 于圖像增強(qiáng)，它們都取得了很好的效果，并且都得到了廣泛的應(yīng)用。雖然在成像之后采用了非均 勻性校正算法對(duì)圖像的非均勻性進(jìn)行了校正，但是由于這些像素點(diǎn)偏離正常值較遠(yuǎn)，一般的校正算法校正的深度不夠，達(dá)不到理想的效果，所以就需要使用盲元檢測算法，檢測出盲元的具體位置，然后再單獨(dú)的對(duì)其進(jìn)行校正（補(bǔ)償）。在求取函數(shù)映射關(guān)系時(shí)使用的是 多項(xiàng)式插值法，但是高次插值多項(xiàng)式逼近精度并不是與插值節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)成正比，并且隨著插值節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加計(jì)算量也大幅度增加，不利于實(shí)時(shí)校正。 4）因?yàn)樗且揽恳晥鰞?nèi)目標(biāo)自身或目標(biāo)與背景之間的溫度差異進(jìn)行探測的，所以它能夠很好的識(shí)別 偽裝的目標(biāo)，而可見光成像系統(tǒng)很難做到這一點(diǎn)。成像過程中周圍的環(huán)境會(huì)對(duì)成像系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，這是因?yàn)橹車h(huán)境中存在各種輻射，并且紅外輻射在傳輸過程中會(huì)被衰減，這些都是在紅外成像系統(tǒng)中需要考慮的問題。 關(guān)鍵詞：紅外焦平面陣列；非均勻性校正；盲元補(bǔ)償；圖像增強(qiáng) 紅外圖像非均勻性校正和增強(qiáng)技術(shù)研究 ABSTRACT Infrared imaging system has the characteristic of strong antijamming performance ， target recognition capability and also passive work,. It has been widely used in military and civilian fields. The imaging technique has broad prospects for development. So, there is important significance for the development of a high performance infrared imaging system. Infrared focal plane array is a key part of thermal imaging system. Its performance affects the operation of the system directly. However, limited by current technology, infrared focal plane arrays has the problem of nonuniformity, and infrared images have the features of low contrast。 （ 3）針對(duì) 紅外圖像具有整體亮度偏 暗 、對(duì)比度較低、目標(biāo)與背景區(qū)分不明顯的特點(diǎn) ，結(jié)合模糊集理論、灰度變換和多分辨率圖像融合等理論，提出了一種新的基于模糊集理論的紅外圖像增強(qiáng)算法。紅外成像系統(tǒng)就是能夠?qū)崿F(xiàn)紅外輻射與可見光圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置，它將自然界物體的溫度信息通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后將這種電信號(hào)通過一定技術(shù)轉(zhuǎn)換成可見光圖像，這種成像技術(shù)稱為熱成像技術(shù)，它反映的是物體各部分以及物體與周圍環(huán)境之間的溫度的差異，這就沒有了可見光的限制。 第一章 緒論 3 紅外成像系統(tǒng)具有可見光成像系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)越性能 [3]： 1）紅外成像系統(tǒng)的適應(yīng)性比較強(qiáng)，特別是在無可見光環(huán)境或環(huán)境比較惡劣的情況下的工作能力比可見光成像系統(tǒng)強(qiáng)。但是該算法針對(duì)性 較強(qiáng)，由于它采用的是單一的輻射強(qiáng)度，所以離校正點(diǎn)越遠(yuǎn)，非均勻性殘留越大。于是，又有人提出了許多具 有偽像消除能力的改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法 [13]，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法得到了完善。 基于變換域的紅外圖像增強(qiáng)算法，最常用到的變換域是頻率域，通過一定的手段（如傅里葉變換）將圖像從空間域變換到頻率域，然后在頻率域中根據(jù)需要對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后再將變換后的結(jié)果映射到空間域得到最終的增強(qiáng)圖像。所以在實(shí)際應(yīng)用中不僅需要明確噪聲的來源，而且還要對(duì)這些噪聲進(jìn)行消除處理，這是必不可少的環(huán)節(jié)。又稱電流噪聲，它有很高的空間頻率和很低的時(shí)域頻率，數(shù)量級(jí)較小，是一個(gè)非平穩(wěn)地隨機(jī)過程，具體表現(xiàn)為信哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 號(hào)的加性噪聲，校準(zhǔn)只在短時(shí)間內(nèi)有作用。其中，式（ 24）是 1999 年中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)“紅外焦平面陣列特性參數(shù)測試技術(shù)規(guī)范”中對(duì)非均勻性 的定義 [33] 。假設(shè)選取溫度為 T的黑體作為輻射源，所有的 MN? 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的輸出響應(yīng)為()ijXT，求其平均值 ()XT ： 11( ) ( ) / (0 。這就為基于場景的非均勻性校正算法的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，該類算法參數(shù)的更新都是來自于對(duì)場景的估計(jì)，它能夠很好的跟蹤參數(shù)漂移，也降低了設(shè)備復(fù)雜度。則 kW 的協(xié)方差可表示為： 0 kTkl if k lE W W o th e r w is e? ???? ? ??? ? （ 318） 其中 k? 為： 122200 k kwkw?????????? （ 319） 其中1222,kkww?? 分別是增益驅(qū)動(dòng)噪聲的方差和偏移驅(qū)動(dòng)噪聲的方差。但是對(duì)于基于場景的校正算法必須要考慮收斂速度問題，所以要選取適當(dāng)?shù)膸瑝K長度，而并不是越大越好。實(shí)驗(yàn)中使用的步長參數(shù)為 ，圖 是輸入的圖像序列中第 1000 幀的校正結(jié)果。 （ a）第 187 幀校正結(jié)果 （ b）第 188 幀校正結(jié)果 圖 校正結(jié)果 改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正算法 通過上面對(duì)傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正結(jié)果的 分析，我們可以看出傳統(tǒng)算法存在圖像逐漸模糊和偽像的缺點(diǎn)。由于各探測元的響應(yīng)特性參數(shù)可以近似看成不相關(guān)，因此像素的鄰域平均可以作為該像素的理想輸出 [44]。 （ 3）濾波器的原理 卡爾曼濾波器是時(shí)域內(nèi)最優(yōu)的濾波器，利用觀測矢量12, , , kX X X 對(duì)狀態(tài)矢量 kB 實(shí)現(xiàn)遞歸 的線性最小均方誤差估計(jì)（ MMSE），數(shù)學(xué)模型如下： ? ? ?()k k k k k kB B K X H B??? ? ? （ 328） 式中： 1 2 1? [ | , , , ]k k kB E B X X X? ?? （ 329） 它是由觀測矢量 1 2 1, , , kX X X ?得到的最優(yōu)線性估計(jì)。這樣從第 k 組幀中就可以得到探測元的觀測矢量 [ (1) , , ( ) ]Tk k k kX X X l? ，它是長度為 kl 的一個(gè)陣列。 0 )i j i j i j i jY n G n X n O n i M j N? ? ? ? ? ? （ 310） 將 ()HXT 和 ()LXT 作為校正后的理想輸出代入上式可以得到一個(gè)方程組，求解方程組即可得到增益和偏移系數(shù)如下： ( ) ( )( ) ( )HLijij H ij LX T X TG X T X T?? ? （ 311） 第三章 紅外圖像非均勻性校正算法 15 ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )ij H L ij L Hij ij H ij LX T X T X T X TO X T X T?? ? （ 312） 將式（ 311）、（ 312）代入式（ 310）就可得到完整的非均勻 性校正方程。 0 )i j i j i j i jY n G n X n O n i M j N? ? ? ? ? ? （ 32） 式中， ( ) 1 / ( )ij ijG n k n? 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的增益校正因子 ( ) ( ) / ( )ij ij ijO n b n k n?? 為第 ij 個(gè)陣列元在 n 時(shí)刻的偏移量校正因子 式（ 32）即為對(duì)陣列元的非均勻性校正公式 [36]。 ,dh— 分別為無效像元中的過熱像元和死像元個(gè)數(shù)。 系統(tǒng)自身因素帶來的非均勻性 成像系統(tǒng)自身缺陷主要表現(xiàn)在紅外焦平面陣列元響應(yīng)的不一致性、 1/f 噪聲影響、光學(xué)系統(tǒng)的影響和放大電路非一致性帶來的非均勻性 [30]。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第二章 紅外成像非均勻性產(chǎn)生的原因和定義 非制冷紅外焦平面陣列的產(chǎn)生，標(biāo)志 著紅外成像系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。 最基礎(chǔ)的空域增強(qiáng)算法，如直方圖修正、灰度拉伸等 [19]。雖然場景統(tǒng)計(jì)的算法利用了空間統(tǒng)計(jì)信息，但是它沒有考慮時(shí)域統(tǒng)計(jì)信息，所以它也不能很好的跟蹤探測器響應(yīng)參數(shù)的漂移。并且當(dāng)探測元數(shù)目非常大時(shí)，不可能通過逐一的對(duì)探測元測量篩選標(biāo)定補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)其進(jìn)行校正。這種成像方式有兩個(gè)嚴(yán)重的弊端：首先光學(xué)鏡頭的移動(dòng)是精密的機(jī)械過程，所以一般來說這種掃描機(jī)構(gòu)比較復(fù) 雜，抗震能力弱，容易損壞。 致 謝 ............................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。紅外圖像非均勻性校正和增強(qiáng)技術(shù)研究 工學(xué)碩士學(xué)位論文 紅外圖像非均勻性校正和