一种高分辨率非制冷红外多光谱相机线上实时信息增强方法及其应用技术

本发明专利技术的一种高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法及其应用，包括以下处理步骤：数据预选择，数据预处理，速高比匹配算法，姿态矫正算法和帧间移位叠加，数据预选择通过探测器端的信号计数器，选出待计算信号，舍去冗余信息，减小计算单元的数据存储压力；数据预处理用于对热红外图像进行非均匀校正、基准矫正和盲元处理等；速高比匹配用于矫正系统推扫过程中速度与成像帧频失配造成的像元级的信息错位；姿态矫正用于矫正系统姿态变化所引起的图像信息失配问题；帧间移位叠加将校正后热红外图像根据帧间位移进行叠加。本发明专利技术可得到探测灵敏度提升的红外多光谱图像。像。像。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率非制冷红外多光谱相机线上实时信息增强方法及其应用


[0001]本专利技术涉及非制冷红外图像处理领域，具体涉及一种高分辨率非制冷红外多光谱相机线上实时信息增强方法及其应用。

技术介绍

[0002]红外是一种电磁波，又被称为红外光或红外线。根据普朗克辐射定理，凡是绝对温度大于绝对零度(
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273℃)的物体都能辐射电磁能，物体的辐射能量强度与本体温度及表面的辐射发射能力有关。基于这一理论，出现了红外探测器，它是借助热光电等物理效应来探测物体红外辐射强度，其中应用最多的是光子探测器，依照工作温度分为制冷型（低温）红外探测器和非制冷（室温）型红外探测器。
[0003]基于制冷型红外探测器的空间红外多光谱成像载荷经过多年的发展，已经形成了成熟的技术体系，在航空航天领域得到很好地应用，在我国的风云气象系列卫星、海洋观测系列卫星、资源卫星、环境卫星以及高分系列卫星中，均装载有基于制冷型红外探测器的高分辨率红外多光谱成像载荷。由于探测器材料特点的限制，探测器往往需要工作在100K以下的低温环境，相关载荷体积大、重量大、研制成本较高，该问题的存在导致商业遥感航天发展高分辨率红外多光谱成像载荷存在困难，实际应用较少。
[0004]非制冷热成像技术最早开始于二十世纪八十年代，美军夜视实验室首先意识到低功耗、低重量的重要性，联合了DAPRA（Defense Advanced Project Agency）奠基了铁电以及电阻型阵列探测器的发展。近年来，以氧化矾(VOx)微测辐射热计为代表的非制冷探测器在得到较快发展，探测器研制工艺与传统CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）器件工艺相似，能够实现大面阵，且工作环境无需制冷，目前实验室最大规模已达4K
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4K，随着工艺的完善和热敏材料的性能提升，非制冷红外探测器的原始灵敏度也向优于50mK量级发展。从成本、体积和易用性等多个角度来讲，非制冷型红外探测器的发展是未来红外探测技术的重要方向，也是未来商业航天红外成像载荷的重要发展方向。
[0005]非制冷型红外成像系统的性能直接影响着图像质量。其中的主要影响因素是动态范围，而动态范围受多方约束，不仅与红外焦平面列阵的自身电荷贮存能力和信号检测方法相关，还与物体及其背景相关，所以单一提高红外探测器自身的性能是很难提高红外成像系统的成像质量，而且红外图像噪声也是限制红外成像系统成像质量的主要因素之一。红外图像的噪声具有极大的随机性，难以评估和分析非制冷型红外探测器技术具有更多的应用场景，所以成为各国的主要研究方向。
[0006]但由于非制冷型红外成像系统的成像机理以及非制冷型红外成像系统自身的原因，红外图像还是存在图像对比度低、图像模糊、图像信噪比低等缺陷，这些缺陷严重阻碍了非制冷型红外成像系统在各个领域中的应用。因此，去除红外图像中的噪声、提高红外图像的信噪比和对比度、增强红外图像边沿及线条等方法，对提高非制冷型红外成像系统的图像质量具有非常重要的作用。当前，有效提高非制冷型红外成像系统图像质量的方法有
两种：第一种方法是不断研究更高性能的非制冷红外探测器，第二种方法是在非制冷型红外成像系统中加入数字图像处理功能。在数字图像处理技术中，图像增强方法因其算法具有简单、有效和普遍适用性的特点，使得红外图像的增强方法受到广泛的关注。在目前条件下，红外图像增强方法是提高红外图像质量有效且简单的方法。目前，人们在研究提高红外探测器性能的同时，也在探究能够实时处理的红外图像增强方法，其基本目的是研制模块化红外图像实时增强处理系统，从而有效地提高红外图像质量，增大非制冷型红外成像系统的作用距离。
[0007]现有技术中，通常可以使用腐蚀膨胀、开闭运算、均值滤波、中值滤波、频域滤波、小波分析等图像处理方法对红外图像进行增强。但是，腐蚀膨胀和开闭运算方法需要进行图像的二值化处理，运算后的结果降低了图像的灰度阶数。均值滤波和中值滤波虽然可以一定程度上平滑图像，抑制噪声的影响，但是无法对噪声进行彻底的消除，甚至会增大噪点的面积。
[0008]非制冷器件在灵敏度上相比于制冷型光子探测器低约1个量级，在红外图像处理中，有必要通过其他手段实现红外多光谱图像灵敏度提升。
[0009]因此，如何在红外图像处理中，除了在探测器驱动电路设计中通过增大积分时间、调整积分电容的方式增加信号量外，实现现红外多光谱图像灵敏度提升 ，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0010]本专利技术的第一个目的在于：针对高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷原始探测灵敏度偏低，数据存在冗余的特点，提供一种实现红外多光谱图像在轨灵敏度增强的高分辨率非制冷红外多光谱相机线上实时信息增强方法。
[0011]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，包括以下处理步骤：S1，数据预选择，通过对面阵探测器端的信号列计数器，对行（列）同步信号的计数，选出待计算列信号，舍去冗余信息，减小计算单元的数据存储压力；S2，数据预处理，对红外图像实施非均匀校正、基准矫正；S3，速高比匹配算法，在卫星飞行速度与相机帧频不匹配的情况下，通过图像分辨率的尺度变化，使之在不需要改变速度与帧频的情况下，通过累加平均的方式减小噪声，在这个过程中应保证参与累加的像元对应的视场位置相等，通过图像差值方法实现的卫星飞行速度与成像帧频匹配的图像处理，实现速高比匹配，矫正系统推扫过程中因推扫速度与成像帧频不匹配造成的信息错位问题；S4，姿态矫正算法，对图像上的每个像素点进行旋转，将旧图像像素点的测量值搬移到新图像像素点形成新图像，新图像是一个旋转后的图形，需要给新图像定界，定界后求出新图像定界后每个像素点对应的原图像像素点坐标，并按照双线性插值的方法取得像素值，对应到新图像点中，求出每个新图像点的像素值，以矫正卫星平台姿态变化所引起的图像信息失配；S5，帧间移位叠加，面阵探测器使用时，产生大量的多列重复采集的冗余信息，利
用这种多列重复采集的冗余信息，计算帧与帧之间地物场景的相对位移关系，将不同帧图像中对应相同地物的像元进行叠加求均值，通过帧间图像信息匹配累加的方式，降低探测过程中的白噪声，改善图像灵敏度。
[0012]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本专利技术的优选技术方案：所述数据预处理包含非均匀矫正和基准矫正，且两部分矫正顺序可以互换，所述非均匀矫正本质上是一种相对辐射定标方法，过程中使用红外均匀辐射源作为标准光源，采用一点映射、两点线性拟合或者多点拟合的方式，矫正探测器中的像元对同一辐射量的响应差异；基准矫正用于矫正探测器在探测过程中产生的低频噪声，在探测过程中，通过选取当前帧为基准帧，在非制冷红外焦平面组件中选取载荷多通道分光组件中暗信号遮挡片对应的探测元的响应信号，在该帧后的每一帧都减去与基准帧的变化量，通过监测探测器平面中部分不随场景变化的像素点均值变化，对全幅信号进行补本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，包括以下处理步骤：S1，数据预选择，通过对面阵探测器端的信号列计数器，对列同步信号的计数，选出待计算列信号，舍去冗余信息，减小计算单元的数据存储压力；S2，数据预处理，对红外图像实施非均匀校正、基准矫正；S3，速高比匹配算法，根据成像载荷实时反馈的速度信息，动态调整差值参数，从而在不改变成像载荷帧频的前提下，实现推扫速度与帧频之间的匹配，以矫正系统推扫过程中因推扫速度与成像帧频不匹配造成的信息错位问题；S4，姿态矫正算法，对图像上的每个像素点进行旋转，将旧图像像素点的测量值搬移到新图像像素点形成新图像，新图像是一个旋转后的图形，需要给新图像定界，定界后求出新图像定界后每个像素点对应的原图像像素点坐标，并按照双线性插值的方法取得像素值，对应到新图像点中，求出每个新图像点的像素值，以矫正卫星平台姿态变化所引起的图像信息失配；S5，帧间移位叠加，面阵探测器使用时，产生大量的多列重复采集的冗余信息，利用这种多列重复采集的冗余信息，计算帧与帧之间地物场景的相对位移关系，将不同帧图像中对应相同地物的像元进行叠加求均值，通过帧间图像信息匹配累加的方式，降低探测过程中的白噪声，改善图像灵敏度。2.如权利要求书1所述的高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，其特征在于：所述数据预处理包含非均匀矫正和基准矫正，且两部分矫正顺序可以互换，所述非均匀矫正本质上是一种相对辐射定标方法，过程中使用红外均匀辐射源作为标准光源，采用一点映射、两点线性拟合或者多点拟合的方式，矫正探测器中的像元对同一辐射量的响应差异；基准矫正用于矫正探测器在探测过程中产生的低频噪声，在探测过程中，通过选取当前帧为基准帧，在非制冷红外焦平面组件中选取载荷多通道分光组件中暗信号遮挡片对应的探测元的响应信号，在该帧后的每一帧都减去与基准帧的变化量，通过监测探测器平面中部分不随场景变化的像素点均值变化，对全幅信号进行补偿。3.如权利要求书1所述的高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，其特征在于：所述数据预处理中的非均匀矫正可采用一点矫正、两点矫正或多点拟合矫正算法。4.如权利要求3所述的高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，其特征在于：所述红外均匀辐射源选取黑体辐射源。5.如权利要求3所述的高分辨率非制冷红外多光谱成像载荷在轨实时信息增强方法，其特征在于：所述速高比匹配算法中，实现帧间图像信息匹配的匹配公式为：其中，为实际飞行地面速度（地速），为通过成像系统参...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐国良，李春来，王建宇，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：