基于温度补偿的非制冷InGaAs短波红外相机实时图像处理方法及装置与流程

基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法及装置
技术领域
1.本发明属于短波红外成像技术领域，涉及一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法、装置、及系统。


背景技术：

2.短波红外是一种介于可见光和中长波红外之间的电磁辐射，该波段成像能得到不同于可见光以及中长波红外的信息，具有许多独特的性质，使之有着广泛的应用前景和迫切的应用需求。近年来，随着ingaas材料生长和焦平面制备技术发展迅速，基于ingaas材料的短波红外成像技术的发展十分迅速。相比于之前常用的hgcdte材料，基于ingaas材料的短波红外相机具有可室温工作的优点，且能保证较高的探测率和较好的均匀性，因此更受各个领域应用的青睐。
3.短波红外相机普遍存在非均匀性和盲元等严重影响图像质量的问题，而这些问题可以通过图像处理解决。考虑到短波红外相机对于成像的实时性要求较高，常用的图像处理方法多为基于参考源定标的非均匀性和盲元校正方法，这些方法针对的是定标温度下固定的非均匀性和盲元。和基于hgcdte材料的短波红外相机相比，基于ingaas材料的短波红外相机在室温下具有更好的均匀性和更少的盲元，但随着相机工作时温度的变化，非均匀性和盲元的情况也随之变化。而基于参考源定标的非均匀性和盲元校正方法无法根据变化的非均匀性和盲元情况进行针对性的处理，因此图像效果会随着温度的变化而变差。
4.目前，针对上述问题一般通过在短波红外相机中加入测温制冷模块制作温控型相机解决，但温控型相机存在生产成本高、相机体积过大等问题，难以规模化生产，大面积推向各个应用领域，且其便携性和易用性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法、装置及系统。本发明对非制冷ingaas短波红外相机在不同工作温度下非均匀性和盲元的不同表现进行了补偿，实现了不同温度下非制冷ingaas短波红外相机的实时图像处理，能够针对性地校正不同温度下的非均匀性和盲元，消除温度变化对图像效果带来的影响。
6.为了解决本发明的问题，本发明首先采用的技术方案是提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法，包括：
7.获取相机的实时工作温度；
8.根据所述实时工作温度所处的温度区间，利用该温度区间内预设的特征温度对应的第一补偿参数，计算所述实时工作温度下的第二补偿参数；
9.利用所述第二补偿参数对该温度下相机图像进行温度补偿校正处理。
10.进一步优选地，预设的特征温度对应的第一补偿参数通过以下方法获得：
11.对非制冷ingaas短波红外相机的工作温度范围进行划分，并在划分的每个温度区间内标定若干特征温度下的非均匀性和盲元情况，计算得到每个特征温度下非均匀校正和盲元校正的第一补偿参数。
12.进一步优选地，在选定的每一个特征温度下，分别采集相机在弱光和强光下的两幅均匀图像；
13.根据各特征温度下采集到的两幅图像，计算各特征温度下的平均响应度，得到该响应度下像元的增益和偏置，作为非均匀校正的第一补偿参数。
14.进一步优选地，根据各特征温度下的平均响应度，对相机进行逐元判定，当像元的响应度大于第一阈值或小于第二阈值，即判定该像元为盲元，计入盲元位置表；所有像元判定完成后的盲元位置表即为盲元校正的第一补偿参数。
15.进一步优选地，所述特征温度的确定方法为：在每一个温度区间内每间隔一个预设温度值选定一个温度作为特征温度。
16.进一步优选地，利用非均匀校正的第一补偿参数及实时温度与所处分段内各特征温度的关联性，计算非均匀校正的第二补偿参数。
17.进一步优选地，利用非均匀校正的第一补偿参数及实时温度与所处分段内各特征温度的关联性，计算非均匀校正的第二补偿参数；其中，实时温度与所处温度区间内各特征温度的关联性表示如下：
18.a＝w1a1 w2a2 ... w
n
a
n
19.b＝w1b1 w2b2
…
w
n
b
n
20.其中，a1，a2，
…
，a
n
为温度区间内各特征温度对应的增益；b1，b2，
…
，b
n
为温度区间内各特征温度对应的偏置；w1，w2，
…
，w
n
为对于实时工作温度来讲各特征温度对应的权重系数，该权重系数由实时工作温度和特征温度的温差决定；a为实时工作温度的增益，b为实时工作温度的偏置。
21.本发明进一步提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置，该装置包括：
22.温度补偿单元，用于判断相机实时工作温度所处的温度区间，利用该温度区间内预设的特征温度对应的第一补偿参数，计算所述实时工作温度下的第二补偿参数；
23.利用所述第二补偿参数对该温度下相机图像进行温度补偿校正处理。
24.本发明还提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机，该相机包括所述的基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置，所述装置集成于ingaas短波红外相机内，用于对相机的图像进行实时处理。
25.本发明还提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理系统，包括所述的基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置、测温单元及控温单元；所述控温单元用于对相机的实时工作温度进行控制；所述测温单元用于测量相机的实时工作温度；所述装置根据所述测温单元测得的相机实时工作温度，判断该实时工作温度所处的温度区间，利用该温度区间内预设的特征温度对应的第一补偿参数，计算所述实时工作温度下的第二补偿参数；利用所述第二补偿参数对该温度下相机图像进行温度补偿校正处理。
26.本发明具有的有益效果为：
27.1.依据探测器的温度响应特性，提出了新的与温度补偿相关的参数标定和实时图像处理方法，该方法简单高效，且具有优良的效果。
28.2.本发明的方法只需要标定存储少量特征温度点的图像处理参数，所需参数相对较少，可以存储在非制冷ingaas短波红外相机的串行配置芯片中，无需加入flash芯片用于参数存储，降低了成本，节省了资源。
29.3.相比于非制冷ingaas短波红外相机，该基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机能够显著降低温度变化带来的图像效果影响。
30.4.相比于温控型ingaas短波红外相机，该基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机省去了制冷模块，降低了相机的生产成本，且具有更小的体积和更低的功耗。
31.5.该基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机只需要出厂时测试一遍非均匀性和盲元补偿参数，无需在日常工作过程中重复测试。
附图说明
32.图1为pt100铂电阻阻值与温度关系曲线；
33.图2为本发明中基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法流程图。
具体实施方式
34.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
35.本发明提供的第一个实施例是：一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理方法，该方法中用到的仪器设备有短波红外积分球、多级热电制冷器和非制冷ingaas短波红外相机。使用短波红外积分球作为相机的均匀光源，短波红外积分球能够出射光谱为800nm
–
2500nm的均匀光照，能够涵盖900nm
–
1700nm的ingaas短波红外波段，且其功率连续可调。多级热电制冷器为三级热电制冷器，δt最大可超过100℃，功耗约为40w，控温精度小于0.1℃。ingaas短波红外相机响应波段900nm
–
1700nm，分辨率640
×
512，内置pt100铂电阻。该方法的流程如图2所示，具体步骤如下：
36.1.相机温度实测
37.在相机进行非均匀性和盲元情况标定过程中以及日常工作过程中，使用测温单元实时测量相机内置的pt100铂电阻阻值，并基于铂电阻的阻值计算得到相机的实时工作温度，使用电桥搭配数字芯片的方式实现温度读出，原理如图1所示。
38.2.相机温度控制
39.在非均匀性和盲元情况标定过程中，设定相机的目标工作温度，基于测温单元测得的实时工作温度，使用外置的控温单元对相机进行温度控制，使相机的实时工作温度向相机的目标工作温度逐渐靠近直至二者一致。本实施例中，控温单元采用多级热电制冷器(tec)，利用半导体的热电效应实现对相机的温度控制。
40.3.相机非均匀性和盲元标定
41.设定相机最大工作温度范围为
‑
25℃到50℃，并将其分为
‑
25℃到0℃、0℃到25℃和25℃到50℃三个温度区间。每个温度区间内，每隔5℃选定一个特征温度。例如：
‑
25℃到0℃温度区间内，选定的特征温度为：
‑
25℃、
‑
20℃、
‑
15℃、
‑
10℃、
‑
5℃、0℃。使用短波红外积分球作为标定用的均匀光源，在每个特征温度下，调节积分球的出光强弱，分别在强光和弱光下使用相机对准积分球出光口采集一幅均匀的图像，以这两幅均匀的图像为基础，对非制冷ingaas短波红外相机各个特征温度下的非均匀性和盲元情况进行标定。具体为：
42.(1)为非制冷ingaas短波红外相机供电，设定相机的目标工作温度为
‑
25℃，使用三级热电制冷器对相机进行温度控制。使用测温单元对非制冷ingaas短波红外相机的实时工作温度进行持续测量，直到确认相机实时工作温度达到目标工作温度
‑
25℃；
43.(2)打开短波红外积分球，将非制冷ingaas短波红外相机对准积分球出光口，设定相机积分时间为100μs，从弱至强调节积分球出光强度，选定合适的出光强度，使相机分别在弱光和强光下采集的两幅均匀图像不为全黑且不过曝；
44.(3)将相机的目标工作温度设为
‑
20℃，重复上述步骤，以5℃步进逐步提高温度并不断重复上述步骤，直到
‑
25℃到50℃范围内所有特征温度对应的图像采集完毕；
45.(4)根据各特征温度下采集到的图像，默认相机响应近乎线性，计算各特征温度下的平均响应度，则可进一步得到该响应度下像元的增益和偏置，作为非均匀校正的第一补偿参数；根据平均响应度对相机进行逐元判定，当像元的响应度大于平均响应度2倍或小于平均响应度的1/2，即判定该像元为盲元，计入盲元位置表，所有像元判定完成后的盲元位置表即为盲元校正的第一补偿参数。
46.4.相机成像的实时处理
47.(1)控制相机正常工作，对外界景物进行成像，根据场景亮度调节积分时间，此处积分时间为60μs，通过测温单元测定相机正常工作时的实时工作温度。
48.(2)依据调用的温度区间内各特征温度下的非均匀性和盲元校正的第一补偿参数，进行实时图像处理，对相机实时图像的非均匀性和盲元进行校正。
49.(3)对于非均匀性，根据温度区间内各特征温度的增益和偏置，先依据实时工作温度与各特征温度的关联性计算实时工作温度下的增益a与偏置b：
50.a＝w1a1 w2a2 ... w
n
a
n
；
ꢀꢀ
(1)
51.b＝w1b1 w2b2
…
w
n
b
n
；
ꢀꢀ
(2)
52.其中，a为实时工作温度的增益，b为实时工作温度的偏置；
53.a1，a2，
…
，a
n
为温度区间内各特征温度对应的增益；b1，b2，
…
，b
n
为温度区间内各特征温度对应的偏置；w1，w2，
…
，w
n
为对于实时工作温度来讲各特征温度对应的权重系数。各特征温度对应的权重系数以下公式计算得到：
54.w
n
＝(δt
‑
δt
n
)/nδt；
ꢀꢀ
(3)
55.其中，δt为温度区间内所有特征温度与实时工作温度之间温差之和，可通过下式计算得到：
56.δt＝δt1 δt2
…
δt
n
；
ꢀꢀ
(4)
57.其中，δt1，δt2，
…
，δt
n
分别为该温度区间内各特征温度与实时工作温度之间的温差。该权重系数由实时工作温度和特征温度的温差决定，温差越小，权重系数越大。
58.(4)然后，基于求得的实时工作温度的增益a和偏置b，使用两点法对该温度下的图
像非均匀性进行校正。
59.(5)对于盲元，首先根据相邻两特征温度的盲元位置表求实时工作温度下的盲元位置表m：
60.m＝m1∪m2；
ꢀꢀ
(5)
61.其中，m1和m2分别为实时工作温度相邻的两特征温度的盲元位置表，即实时工作温度下的盲元位置表为相邻两特征温度盲元位置表的并集。
62.(6)根据生成的实时工作温度所对应的盲元位置表，精确定位所有盲元的位置坐标，然后使用关联性邻域平均法对所有盲元m(i,j)进行校正，设其非盲元邻域像元响应为r(i,j)，若盲元的四邻域像元均不是盲元，则采取四邻域平均法对盲元进行校正：
[0063][0064]
若盲元的四邻域像元中存在盲元，且其八邻域像元中盲元个数小于等于两个，则采取有效八邻域平均法对盲元进行校正：
[0065][0066]
其中，a为八邻域像元中有效像元的个数，r
e
(a)为有效邻域像元的响应；若盲元的四邻域像元中存在盲元，且其八邻域像元中盲元个数大于两个，则采取有效十六邻域平均法对盲元进行校正：
[0067][0068]
其中b为十六邻域像元中有效像元的个数，r
e
(b)为有效邻域像元的响应。
[0069]
本步骤中，以测得的相机实时工作温度为21℃为例说明，具体为：
[0070]
根据测得的实时工作温度，调用存储在相机串行配置芯片中0℃到25℃温度区间内特征温度所对应的非均匀性补偿参数，即0℃、5℃、10℃、15℃、20℃以及25℃对应的非均匀校正的第一补偿参数，依据各特征温度与21℃之间的关联性，使用上述公式(1)、(2)求出21℃对应的非均匀校正的第二补偿参数，即各个像元两点法的增益和偏置。
[0071]
利用求出的21℃对应的非均匀校正的第二补偿参数，使用两点法对拍摄图像进行非均匀性校正。
[0072]
然后，调用21℃两侧特征温度20℃和25℃对应的盲元补偿参数，即盲元位置表，取20℃和25℃对应盲元位置表的并集作为21℃所对应的盲元位置表。根据得到的盲元位置表，采用上述的关联性邻域平均法对所有盲元进行校正。
[0073]
经基于温度补偿的实时图像处理后，相机实时工作温度下的非均匀性和盲元情况得到了极大改善，该方法能够根据不同工作温度下的情况进行针对性的图像处理。
[0074]
本发明提供的另一个实施例是一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置，该装置包括：温度补偿单元，用于判断相机实时工作温度所处的温度区间，利用该温度区间内预设的特征温度对应的第一补偿参数，计算所述实时工作温度下的第二补偿参数；利用所述第二补偿参数对该温度下相机图像进行温度补偿校正处理。
[0075]
在本发明的其它实施例中，还提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机，该相机包括所述的基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置，将该装置集成于ingaas短波红外相机内，可对相机的图像进行实时处理。
[0076]
在本发明的其它实施例中，还提供一种基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理系统，该系统包括基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置、测温单元及控温单元。其中，控温单元用于对相机的实时工作温度进行控制；测温单元用于测量相机的实时工作温度；基于温度补偿的非制冷ingaas短波红外相机实时图像处理装置根据测温单元测得的相机实时工作温度，判断该实时工作温度所处的温度区间，利用该温度区间内预设的特征温度对应的第一补偿参数，计算实时工作温度下的第二补偿参数；利用第二补偿参数对该温度下相机图像进行温度补偿校正处理，包括非均匀性校正和盲元校正。利用该系统，可以按照第一个实施例中的方法步骤，实现对ingaas短波红外相机的图像进行实时校正处理。